- •Введение. Особенности оптического диапазона эмв. Достоинства волс.
- •2.1.1. Достоинства и область применения волс.
- •Волоконно-оптическая система передачи
- •Структурная схема волоконно-оптической системы передачи сигналов
- •1. Передача оптических сигналов.
- •Диапазоны эмв.
- •1. Особенности оптического излучения. Диапазон оптических длин волн.
- •Лекция 2. Основные положения и понятия волновой, квантовой и геометрической оптик
- •Параметры оптического излучения. Поляризация, монохроматичность и когерентность оптического излучения
- •Преломление света. Полное внутреннее отражение.
- •Волоконный световод (оптоволокно)
- •Параметры оптических волокон
- •2.1.3 Дисперсия
- •2.3. Межмодовая дисперсия
- •2.4. Материальная дисперсия и информационная емкость
- •Задача № 1
- •Задача № 2
- •2.5. Информационные параметры волс
- •Задача №3
- •2.6. Особенности работы и режимы волоконных световодов
- •2.7. Особенности расчетов и применения многомодовых волоконных световодов
- •2.8. Разновидности и применение одномодовых световодов (омвс)
- •Задача№4
- •2.10. Технология и материалы вс
- •2.11. Геометрические и механические характеристики вс
- •2.13. Разновидности и поколения волс
- •3. Оптические волноводы
- •3.1. Парамeтры оптических волноводов
- •3.2. Потери в оптических волноводах. Методы изготовления оптических волноводов
- •,Где – усредненная глубина шероховатостей.
- •3.2.2. Методы изготовления планарных и полосковых ов заимствованы из технологии пп электроники. Их можно условно разделить на три категории:
- •3.3. Связанные волны в оптических волноводах
- •Задача №5
- •Задача №6
- •Задача №7
- •Лекция 3
- •3.4. Пассивные элементы интегрально-оптических схем
- •4. Пассивные элементы волс
- •4.1. Оптические разветвители (ответвители)
- •4.2. Оптические аттенюаторы
- •4.3. Оптические мультиплексоры/демультиплексоры и фильтры
- •4. Управление временными параметрами оптического излучения
- •4.1. Модуляция лазерного излучения
- •4.2 Физические эффекты в кристаллах
- •4.3. ЭлектрОоптические модуляторы (эом)
- •Задача n9.
- •4.4. Акустооптические модуляторы (аом)
- •4.5. Магнитооптические модуляторы (мом)
- •5. Управление пространственными характеристиками оптического излучения
- •5.1. Основные определения
- •5.2. Электрооптические дефлекторы (эод)
- •Задача №10.
- •5.3 Акустооптические дефлекторы (аод)
- •Задача №11
- •6. Особенности источников оптического излучения для волс и ов.
- •7. Приемники оптического излучения
- •7.1. Принцип действия фотоприемников
- •7.2. Классификация, параметры и характеристики фотоприёмников
- •7.3 Фотодиоды с обычным p-nпереходом
- •7.4. Специальные типы фотодиодов
- •7.5. Фототранзисторы
- •7.6. Многоэлементные ФотоПриёмники
- •Задача №12.
- •8. Интегрально-оптические схемы
- •8.1. Основные определения
- •8.2. Примеры реализации Интегрально-оптических схем
- •9. Волоконноотические датчики (вод)
- •Принцип работы, классификация и параметры вод
- •9.2. Вод амплитудной модуляции
- •9.3. Вод фазовой модуляции.
- •9.4. Поляризационные вод.
- •9.5. Вод с управляемой связью в коаксиальных оптических волноводах.
- •10. Оптические методы обработки информации.
- •10.1 Основы голографии.
- •10.2 Элементы оптической памяти оптических и электронных процессоров.
- •10.3. Оптическая фильтрация.
- •11. Радиооптические антенные решетки (роар)
- •11.1. Основные понятия
- •11.2. Оптическое управление задержками свч - сигналов
- •11.3. Оптическое управление фар на основе оптического процессора
- •11.4 Фар с “экзотическими” методами управления.
9.4. Поляризационные вод.
Поляризация в ВС может изменяться, как от воздействия электрического или магнитного полей (т.е. эффектов Керра, Фарадея, Поккельса и т.д.), так и от давления и от других факторов, однако поляризационные ВОД применяются реже из-за необходимости применения термостабильных материалов, малого динамического диапазона и меньшей чувствительности.
Примером является поляризационный датчик магнитного поля (электрического тока), работающий на эффекте Фарадея (рис. 9.10.)
Рис. 9.7. Поляризованный ВОД магнитного поля
Эффект Фарадея возникает в ферромагнетиках (>>1), диамагнетиках (<1), и парамагнетиках (>>1), но только у диамагнетиков он не зависит от температуры. Например у стёкол, используемых в ВС =0,999987. Датчик представляет собой ВС-1 намотанный на токопровод–2. При этом вектор совпадает с осью ВС. Излучение ПП лазера–3 поступает в ВС через поляризатор–4, а после ВОД попадает на анализатор–5, выделяющий две ортогональные составляющие поляризации. С анализатора два луча принимаются двумя ФП–6, сигналы с которых поступают на сравнивающее устройство–7.
В качестве анализатора может использоваться т.н. призма Волластона, которая выделяет ортогональные составляющие под углом = ко входной поляризации. Вследствие поворота плоскости поляризации на угол м (ф. (4.5.)) на входе сравнивающего устройства будут сигналы
Р1=Рвх.а.(1+sin 2м)/2 ;
Р2=Рвх.а.(1–sin 2м)/2 ,
где Рвх.а.–мощность на входе анализатора. Дифференциальная схема сравнивающего устройства выделяет сигнал
Uвых=kд(P1 – P2)/(P1 +P2)=kдsin2м ,
где kд – константа, не зависящая от мощности падающего на анализатор излучения.
Например, созданный на этой основе ВОД представляет собой катушку ВС диаметром 15 мм из 40 витков. ВОД позволяет измерять ток до 14 кА с нелинейностью 1% на частотах до 5 МГц. При этом максимальный угол поворота плоскости поляризации м 10.
Увеличение области линейности можно добиться схемными методами.
9.5. Вод с управляемой связью в коаксиальных оптических волноводах.
9.5.1. коаксиальный оптический волновод (ОВ) состоит из стержня и трубки, связь между которыми зависит от параметров внешнего слояn4 (рис. 9.11). при этом энергия от стержня отводится в трубку и рассеивается. Строгое теоретическое рассмотрение электродинамическими методами довольно сложно, поэтому коаксиальный ОВ рассматривают, как два отдельных одномодовых ОВ со своими коэффициентами распространения. Например, для конкретного коаксиального ОВ с параметрами: n1=n2=1,5; n2=1,495; а=1,5 мкм; с=7 мкм; =0,6328 мкм получены графики зависимостей коэффициентов фазы сердцевиныс(n4) и трубки т(n4) для разных значений b представленные на рис.9.12 [5]
Рис.
9.8. Коаксиальный ВОД
Рис. 9.9. Параметры коаксиального ОВ
Из графиков видно, что можно добиться условия фазового синхронизма с=т выбором b и n4 и рассматривать коаксиальный ОВ, как направленный ответвитель. Если наружная часть трубки помещена в среду с изменяющимся n4 то изменяется Т, а, подобрав n3, можно обеспечить желаемый диапазон изменения Т. При этом критическая длина связи Lкр, обеспечивающая переход энергии из стержня в трубку
,
где Ксв=f(n1; n2; n3; n4; a; b; c)коэффициент связи.
При использовании видимого диапазона можно визуально наблюдать периодическое изменение яркости свечения трубки вдоль оси с периодом 2Lкр. Поэтому Lкр иначе называется длиной биений. При выборе длины L=Lкр(2n+1), где n=0,1,2,… амплитуда сигнала в стержне будет зависеть от n4.
9.5.2. На основе коаксиального ОВ могут быть выполнены ВОД различного назначения:
1. ВОД температуры жидкости, например, силиконового масла, коэффициент преломления которой зависит от температуры;
2. ВОД электрического поля при помещении его в жидкость с электрическими свойствами (жидкий кристалл);
3. ВОД механических перемещений или давления, так как механические деформации ячейки приводят к изменению всех коэффициентов преломления и удлинению ячейки, что вызывает нарушение условия с=Т и модуляцию оптического сигнала. При этом нужно подбором параметров минимизировать влияние температуры.
Достоинствами коаксиальных ВОД являются отсутствие механической системы, высокая чувствительность и хорошие малогабаритные характеристики.
Недостатком является сложность технологии изготовления ВОД.
9.5.3. Можно предложить следующий порядок расчета коаксиального ВОД.
Исходные данные: Lкр (длина биений); длина волны–; пределы изменения (переключения) показателя преломления–n4;
1. Выбираются значения n1; n2; n3; из соображений
n2n4 + (0,001 0,002); n1n3n2 + (0,005 0,01).
2. Определяются геометрические размеры структуры a, b и с.
Из условия одномодовости .
При с =(45)а =соnst выбирается b соответствующее желаемому n4 и с согласно рис. 9.9. или формул и графиков в [5]. Затем уточняются b и с при
с – b =const, что обеспечивает значение n4 и Lкр. При этом, чем меньше а, тем при меньшем значении b – а достигается то же значение Lкр.
3. Определяется длина ячейки Lя =(2m+1)Lкр (m=0, 1, 2…), где Lкр определяется из графиков рис. 9.13 или формул в [5]. При этом соответствует максимальной длине биений Lкр= L.
Рис. 9.10. Зависимость Lкр(n4) при разных b.
Если задаётся не n4, а внешнее воздействие Fвх, при котором должно происходить переключение энергии из одного волновода в другой (например, температура), то сначала выбирается материал n4 внешней среды, а затем выполняется п.1.
При точности расчётов n1 и n3 110-4 и размеров а, b и с–10% происходит уход значения n4 на величину 510-4. На практике ст м. При этом вносится погрешность менее долей %.