Министерство образования Российской Федерации

Дальневосточный государственный технический университет

Им. В.В.Куйбышева

О.Б.Витрик

Волноводы оптического диапазона

Рекомендовано ДВ РУМЦ в качестве учебного пособия для студентов направления 6544000 «Телекоммуникации».

Владивосток

2003

Удк 621.373.826

В54

Витрик О.Б. Волноводы оптического диапазона.: Учеб. пособие. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2003 - 100 с.

Настоящее пособие посвящено рассмотрению процессов распространения света в диэлектрических волноводах с точки зрения лучевой и волновой оптики. Рассмотрены лучевые траектории в симметричном планарном и круглом волноводах. На основе геометрической оптики анализируется лучевая дисперсия в волноводах ступенчатого и градиентного профилей. Оценивается внутримодовая дисперсия в одномодовых волоконных световодах и рассматриваются условия ее минимизации. Обсуждаются границы применимости лучевого подхода. В рамках волновой оптики рассмотрены моды планарного и круглого волноводов. На основе скалярного приближения анализируется структура полей и фазовые параметры мод. Обсуждаются поправки к скалярному приближению. Предназначено для студентов вузов, изучающих электросвязь, электронику, информатику и другие смежные предметы.

Рецензенты: Ю.Н. Кульчин д-р.физ.-мат.наук, профессор.

В.В.Юдин д-р.физ.-мат.наук, профессор.

 Витрик О.Б., 2003

ISBN

 Изд-во ДВГТУ., 2003

Введение

Оптический волновод – это прозрачная диэлектрическая структура, направляющая световое излучение, как правило, за счет полного внутреннего отражения по определенным траекториям, предназначенная для передачи оптических сигналов на различные расстояния. По-видимому, один из первых оптических волноводов был продемонстрирован в начале девятнадцатого века. Он представлял обычную струю воды, в которую вводилось солнечное излучение (рис. 1.1). Периодически попадая на границу раздела между водой и воздухом, солнечные лучи испытывали на границе полное внутреннее отражение. В результате, солнечное излучение распространялось вдоль струи, подсвечивая ее в темной комнате. Такое устройство использовалось для лекционных демонстраций законов гидродинамики и в то время не рассматривалось в качестве прототипа волновода. Несколько позже, в середине XIXвека этот эффект начал использоваться для подсветки воды в фонтанах, и с тех пор повсеместно используется для этой цели.

В конце XIX века способность света распространяться по изогнутым стеклянным стержням, аналогичная способности распространяться по водяным струям, стала применяться для того, чтобы направлять световой поток от электрических светильников к труднодоступным объектам в микроскопии и в медицине. А в 1929 г. американский инженер Вестон Ханселлописал устройство для передачи изображений по гибкому кабелю, состоящему из «параллельных кварцевых волокон… с плоско срезанными торцами (рис. 1.2). Один конец кабеля направляется на объект, другой - обращается к наблюдателю. Свет от объекта падет на торцы кварцевых волокон и распространяется по ним, формируя на другом конце изображение, видимое наблюдателю». Таким образом, каждое волокно переносит свой элемент изображения и последнее получается тем более качественным, чем больше волокон содержит кабель. Ханселл предполагал использовать свое изобретение в технике факсимильной связи, но из-за больших потерь световой мощности в кварцевом стекле предложенное им устройство было способно передавать изображения лишь на расстояния в несколько метров. Этого, однако, было достаточно для применения в медицинской практике - для обследования человеческого желудка и других органов, находящихся вне пределов прямой видимости. Первыми такое использование волоконно-оптического жгута предложили немецкие медикиГенрих ЛаммиРудольф Шиндлерприблизительно в 1929 г. Сейчас это - развитая медицинская диагностическая методика, называемаяэндоскопией.

Рис. 1.1. Демонстрация законов гидродинамики с использованием эффекта волноводного распространения света в струе воды. Внизу показана траектория светового луча в струе воды.

Следующий шаг в развитии оптических волноводов сделал датский инженерМюллер Хансенв 1949 г. Он заметил, что грязь и пыль, попадая на поверхность волокон, входящих в состав эндоскопического кабеля, нарушают условия полного внутреннего отражения на границе кварца с воздухом. Кроме того, кварцевые волокна обмениваются световой энергией при взаимном соприкосновении. Все это приводит к заметному уменьшению яркости и ухудшению качества передаваемых изображений. Решение проблемы М. Хансен увидел в том, чтобы покрывать волокна защитной оболочкой из материала с показателем преломления меньшим, чем у основного волокна. Тогда полное внутреннее отражение будет иметь место на границе сердцевины и оболочки вне контакта с внешней средой.

Рис. 1.2. Волоконный кабель для передачи изображений:

1 - жгут из кварцевых волокон; 2, 3 - соответственно входное и выходное окна кабеля, образованные плоско срезанными торцами волокон

В процессе поиска материала оболочки М. Хансен экспериментировал с различными маслами. В конце концов, наилучшие результаты были получены с обычным столовым маргарином. М. Хансен, конечно, понимал, что маргарин нельзя использовать на практике в качестве материала оболочки, но он сумел экспериментально продемонстрировать работоспособность идеи.

Американец Лоуренс Куртиссв 1956 г. нашел принципиальное решение проблемы материала для оболочки. Он вставил стеклянный стержень с высоким показателем преломления, внутрь стеклянной трубки с низким преломлением. Предварительно разогрев полученную заготовку в печи, Л. Куртисс протянул ее сквозь фильеру малого диаметра (рис. 1.3а). Таким образом, он первым изготовил двухслойное оптическое волокно, содержащее стеклянные сердцевину и оболочку (рис. 1.3б), которое стало прототипом современных волоконных световодов.

Впервые теоретическое описание процессов распространения оптического излучения по таким световодам выполнил Нариндер Капанив конце 50-х - начале 60-х гг. Еще в монографии, вышедшей в 1967 г., Н. Капани рассматривал световоды только с точки зрения применения в эндоскопических системах. Однако вскоре, с появлением первых экспериментальных лазерных систем связи, возникло новое направление в использовании волоконных световодов.

Перспективы применения оптического излучения в телекоммуникационных системах стало широко обсуждаться в начале 60-х гг. в связи с изобретением лазера. Лазерное излучение обладает чрезвычайно высокими несущей частотой и монохроматичностью - намного лучшими, чем у волн, генерируемых в радиочастотном диапазоне. Это дает возможность достижения рекордных скоростей передачи информации.

В первых лазерных системах световой луч распространялся непосредственно от источника к приемнику в пределах прямой видимости, либо лучевая траектория корректировалась системой линз и других оптических элементов. Такой коммуникационный канал имел нестабильные характеристики, так как в значительной мере зависел от атмосферных условий: дождь, снег, туман делали его использование невозможным.

Рис. 1.3. Двухслойный волоконный световод:

а) изготовление двухслойного световода методом протягивания заготовки через фильеру; б) траектория световых лучей в двухслойном световоде

Английские исследователиК. КаоиГ. Хокхамв 1966 г. нашли принципиально новый подход к решению проблемы стабильного оптического коммуникационного канала. Они предложили использовать стеклянные волоконные световоды, аналогичные тем, что уже применялись в эндоскопии в качестве направляющей свет среды. Сначала это предложение казалось слишком смелым, поскольку в то время лучшие стекла обладали потерями в видимой области спектра порядка1000 дБ/км. Однако результаты фундаментальных исследований процессов затухания световых волн в кварцевом стекле давали основания надеяться на возможность снижения потерь до приемлемых величин.

Затухание световых волн в любом диэлектрическом материале и в том числе в кварцевом стекле в основном определяется поглощением света в окрестности частот электронных и атомных резонансов. В идеально чистом кварце ближайшие ультрафиолетовый и инфракрасный максимумы поглощения находятся довольно далеко от оптического диапазона, и поэтому на этот диапазон приходится минимум поглощения, сформированный «хвостами» ультрафиолетовой и инфракрасной полос (рис. 1.4). Теоретически минимальное поглощение достигается при =1,5мкми составляет всего лишь около0,01 дБ/км. Однако реальный кварц всегда содержит дополнительные молекулы примеси, которые вызывают дополнительное поглощение на оптических частотах. Самыми "вредными" в этом отношении являются молекулы воды и некоторых металлов, таких, как: Fe, Mg, Cr, Co, Ni, Va. Именно они могут приводить к увеличению потерь в кварцевом стекле до уровня в 1000 дб/км и выше.

Уже в 1970 г. сотрудники фирмы Корнинг (США) Ф. Капрон,Д. КекиР. Мауэрнашли пути снижения концентрации "вредных" примесей и создали стекла для световодов с потерями20 дБ/км. Это было замечательным достижением, поскольку данный уровень считался пороговым для создания практических волоконно-оптических линий связи. А к 1975 г., благодаря усилиям множества исследователей, потери света в кварцевом волокне были снижены до2 дБ/км. Такой результат стал возможным благодаря разработке специальных технологий очистки кварца, обеспечивающих уменьшения концентрации примесей до уровня менее чем10^-9(один атом примеси на миллиард атомов основного вещества).

В ходе дальнейших исследований выяснилось, что при сверхмалых концентрациях примеси, существенное влияние на уровень потерь оказывает рэлеевское рассеяние. Плавленый кварц является по своей природе неупорядоченной структурой, в которой имеются отклонения от средней плотности материала, а также локальные микроскопические изменения в составе. Каждое из указанных изменений приводит к возникновению неоднородностей, размер которых сравним с длиной волны. Характерная черта рассеяния света на таких неоднородностях состоит в том, что рассеиваемая мощность, а значит и потери, обратно пропорциональны длине волны в четвертой степени. Поэтому именно рэлеевское рассеяние, а не край полосы ультрафиолетового поглощения является основной причиной потерь на коротких длинах волн в чистом кварцевом стекле (кривые 3 и 4 на рис. 1.4). При этом теоретически достижимый минимум потерь увеличивается из-за рассеяния более чем на порядок.

Снижение потерь, обусловленных рэлеевским рассеянием, стало возможным за счет разработки и совершенствования специальных технологий охлаждения расплава и кристаллизации кварцевых стекол. Благодаря этому, равно как и дальнейшему совершенствованию технологий очистки, группе Японских исследователей во главе с Т. Мийак 1979 г. удалось снизить потери света в кварцевом стекле до рекордно низкого уровня -0,2 дБ/кмна длине волны1,55 мкм. Этот уровень лишь немногим превосходит теоретически достижимый минимум. Характеристики световода, выполненного из такого стекла, представлены на рис. 1.4 (кривая 5). Видно, что материал световода все же имеет дополнительные пики поглощения, обусловленные остаточным содержанием примесей. Тем не менее на длинах волн1,3и1,55(мкм) имеются наиболее глубокие минимумы потерь, поэтому эти длины волн выбираются в качестве рабочих для большинства современных линий волоконно-оптической связи.

Рис. 1.4. Зависимость затухания света в кварцевых волоконных световодах. от длины волны (данные взяты из работы [4]):

1-край ультрафиолетовой линии поглощения в чистом кварце; 2- край инфракрасной линии поглощения в нем же; 3 - релеевское рассеяние; 4 - совместное влияние поглощения и рассеяния в чистом кварце; 5 - характеристики кварцевого волоконного световода, достигнутые к 1979 г.

Параллельно с совершенствованием технологии производства и очистки кварцевого стекла во всем мире проводились эксперименты по увеличению механической прочности световодов в основном за счет использования дополнительных полимерных покрытий. В результате была найдена технология создания надежных и устойчивых к механическим повреждениям оптических волокон и кабелей на их основе. В настоящее время диапазон применения таких устройств простирается от задач организации локальных сетей связи внутри одного помещения до построения трансокеанских коммуникационных каналов и глобальных информационных сетей.

Построение и совершенствование характеристик систем волоконно-оптической связи потребовало разработки широкого спектра пассивных и активных компонентов для таких систем: волокон с заданными параметрами, соединительных элементов и разветвителей, переключателей для волоконных оптических каналов, волноводных излучателей и усилителей и т.д. Создание таких компонентов было невозможно без дальнейшей разработки теории волноводного распространения излучения. После первых работ Н. Капани это новое научное направление получило развитие благодаря работам Д. Маркузе, В. В. Шевченко, Х. Г. Унгера, А. Снайдера, А.С. Беланова, А.Л. Микаэляна, Е. М. Дианова, Ж. А. Алферова, А. М. Прохорова, Ю. В. Гуляева, Дж. Лава и многих других. Понимание процессов волноводного распространения светового излучения, описанных в публикациях указанных авторов, является весьма полезным при работе с существующими волоконно-оптическими системами и оказывается совершенно необходимым при разработке новых оптических волноводных устройств. Однако в большинстве случаев материалы, изложенные в научных трудах, рассчитаны на специалистов достаточно высокой квалификации. Издан также ряд публикаций, предназначенных для неспециалистов - пользователей волоконной техники, содержащие описание возможностей и (или) инструкции по использованию существующих волоконно-оптических систем, которые не ставят своей целью освещение базовых принципов волноводной оптики.

Настоящее пособие предназначено стать введением в волноводную оптику для студентов вузов, изучающих электросвязь, электронику, информатику и другие смежные предметы. Первая глава посвящена наиболее простому лучевому подходу к описанию процессов распространения светового излучения по диэлектрическим волноводам. Во второй - эти процессы рассматриваются с точки зрения волновой оптики.