2.3. Основные элементы волоконной оптики.

Одним из основных элементов волоконной оптики является оптическое волокно.

Оптическое волокно.

Принцип действия оптического волокна. Оптическое волокно позволяет распространяться свету вдоль него, при этом испытывая очень малое затухание. Это происходит из-за того, что используется двуслойная конструкция оптического волокна – сердечник (или ядро) волокна (обычно, кварц), и оболочка с меньшим показателем преломления. Кроме того, волокно заключено в оплетку, которая защищает поверхность волокна, повышает его прочность, и тем самым, упрощает его эксплуатацию.

Рис. 2.3. Путь лучей для нескольких углов падения, n₁ > n₂, n₁ и n₂ – показатели преломления сред. Случай (в) соответствует полному внутреннему отражению.

Принцип действия оптического волокна поясняет рис. 2.3. При увеличении угла падения луча света возникает положение, когда свет, падающий из среды с большим показателем преломления, полностью отражается от границы со средой с меньшим показателем преломления. Это явление называется полным внутренним отражением света. Именно этот принцип заложен в конструкцию оптического волокна.

Сердечник волокна обычно изготовляется из кварца, легированного германием (а, иногда, азотом). Это делает коэффициент преломления сердечника более высоким, чем коэффициент преломления чистого кварца. Диаметр сердечника волокна может быть разным – от 5 мкм до 50 мкм. Оболочку волокна изготавливают, обычно из чистого кварца. Поэтому ее коэффициент преломления меньше, чем у сердечника. Диаметр оболочки обычно составляет 125 мкм.

Геометрические параметры волокна и показатели преломления сердечника и оболочки подобраны так, что лучи света испытывают полное внутреннее отражение на границе ядра и оболочки волокна. В результате этого, свет распространяется без поглощения вдоль оптического волокна.

Оптическое волокно сверху покрывается защитным покрытием из кремнийорганического полимера, которое защищает его от механических повреждений. Конструкция оптического волокна показана на рис.2.4.

Рис. 2.4.

Основные характеристики оптического волокна:

• Широкополосность (возможно, до нескольких десятков терагерц),

• Малые потери (минимальные – 0.154 дБ /км),

• Малый диаметр (около 125 мкм),

• Малая масса (порядка 30 г/км),

• Эластичность (минимальный радиус изгиба – 2 мм),

• Механическая прочность ( до 7 кГ – нагрузка на разрыв),

• Электромагнитная совместимость ,

• Взрывобезопасность и пожаробезопасность,

• Отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех),

• Электроизоляционная прочность (волокно длиной 20см выдерживает напряжение до 10000 В),

• Высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде.

Одномодовые и многомодовые оптические волокна. Оптические лучи внутри волокна распространяются, многократно испытывая полное отражение. Но распространение этих лучей возможно лишь, когда они проходят под определенными углами. Подобное распространение луча называется модой, и характеризуется тем, что распределение электрического поля света вдоль вертикальной оси волокна представляет собой стоячую волну. При этом в волокне может распространяться или одна мода, или несколько мод.

Если распространяющихся мод много (десятки и сотни), то такое оптическое волокно называется многомодовым. При этом конструктивно, его сердечник имеет диаметр 50 мкм, а максимальный угол (апертура) входящего света составляет 12 – 15 град. Диаметр оболочки – 125 мкм.

Многомодовое волокно использовалось на первом этапе развития ВОСП. Кроме того, оно обычно используется для передачи оптического излучения в сенсорике. Преимуществами многомодового волокна являются:

• дешевизна,

• удобство ввода/вывода оптического излучения из-за большой входной апертуры волокна (12 – 15 град).

Его недостатками (по сравнению с одномодовым волокном, см. ниже), являются:

• большее затухание и искажение при передачи сигнала,

• меньшая пропускная способность волокна (до 20Мгц*км).

На рис. 2.5. показано устройство различных типов оптического волокна.

Если распространяется только одна мода в волокне, то такое оптическое волокно называется одномодовым. При этом конструктивно, его сердечник имеет диаметр 5 – 6 мкм, а максимальный угол (апертура) входящего света составляет 4 – 5 град. Диаметр оболочки – 60 - 150 мкм.

Одномодовое волокно может использоваться как для передачи оптического излучения, так и для выполнения самого сенсора.

Его преимуществами являются:

• малое затухание ( до 0.15 дБ/км) и искажение сигнала при передачи,

• большая пропускная способность волокна (до 4 ГГц*км),

• возможность его использования в качестве сенсора.

Его недостатками являются:

• высокая стоимость,

• сложность организации ввода/вывода оптического излучения, и реализации волоконно-оптических элементов с малыми потерями для него.

Рис. 2.5.

Применение одномодовых волокон наиболее перспективно для ВОСП, так как они обладают малым затуханием распространяющегося оптического сигнала. Еще более перспективным является применение одномодовых волокон, обладающим свойством двулучепреломления, то есть, сохраняющим линейную поляризацию света, введенного в него. Перспективно и применение одномодовых оптических волокон для сенсорики, так как они позволяют организовать сеть волоконно-оптических датчиков с высоким быстродействием.

Источники света для волоконной оптики.

В волоконной оптике используются следующие источники света:

• светодиоды,

• твердотельные лазеры,

• полупроводниковые лазеры.

Каждый из этих видов источников света имеют свои преимущества и недостатки.

Свойства светодиодов:

1. Оптическое излучение непрерывно по спектру,

2. Общая ширина спектра составляет от 35 до 90 нм (см. рис. 2.6).

1. Свет – неполяризованный.

1. Угловая расходимость излучения, выходящего из

светодиода, составляет порядка 20 – 40 градусов.

В настоящее время выпускаются светодиоды, излучающие свет для различных диапазонов длин волн. Конструктивно, они сопряжены с оптическим волокном.

Рис. 2.6. Типовые спектры светодиодов для различных диапазонов длин волн оптического излучения.

Твердотельные и полупроводниковые лазеры для волоконной оптики.

Принцип действия твердотельного лазера иллюстрируется на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Принцип действия рубинового лазера и динамика лазерного излучения.

Для создания источника света необходимо активное тело, в атомах вещества которого число электронов в возбужденном состоянии превышает число электронов на нижнем энергетическом уровне (инверсия населенности). Одним из наиболее распространенных материалов, применяемых в качестве активного тела, является рубин. Рубин – это кристалл окиси алюминия Al₂O₃, в котором часть ионов алюминия замещена ионами хрома. Поглощая световую энергию в зеленой части спектра (длины волн около 0,41 и 0,56 мкм), ионы хрома переходят в возбужденное состояние (рисунок 2.7 а). Однако продолжительность пребывания ионов хрома на верхнем энергетическом уровне составляет порядка 210^-7 сек., и они начинают возвращаться в исходное состояние. Этот переход происходит не сразу, а через так называемое метастабильное состояние, где «время жизни» ионов больше (210^-3 с), благодаря чему происходит накапливание ионов и возникновение инверсии населенности. После возникновения инверсии населенности происходит спонтанный, непроизвольный переход ионов на основной уровень, сопровождаемый излучением света с четко определенной длиной волны. В рубине имеется два метастабильных уровня, и излучение происходит на двух длинах волн в красном диапазоне спектра.

Излучаемые фотоны воздействуют на ионы хрома, находящиеся в возбужденном состоянии, вызывая их переход на основной уровень, что сопровождается испусканием новых фотонов. Для того, чтобы возвращать часть излученных фотонов обратно в активное тело и стимулировать лавинообразный процесс перехода ионов на основной уровень (рисунок 2.7 б) служит оптический резонатор из двух зеркал параллельных друг другу. Рисунок 2.7 б иллюстрирует динамику развития лазерного излучения внутри активного тела. Верхний рисунок соответствует состоянию активного тела, когда ионы хрома оказались в возбужденном состоянии, после чего перешли на метастабильные уровни. Черные кружки – это ионы хрома в метастабильных состояниях. Следующий рисунок иллюстрирует процесс спонтанного излучения фотонов во все стороны (их переход с метастабильного состояния на основной уровень). На третьем – пятом рисунках показано лавинное развитие лазерного излучения под действием стимулированного (вынужденного) излучения фотонов, распространяющихся вдоль оси рубинового стержня.

Нижний рисунок конечную фазу развития лавины, когда часть оптического излучения выводится наружу через полупрозрачное зеркало. Для вывода излучения из резонатора одно из зеркал делается полупрозрачным. Обычно источником световой энергии для возбуждения ионов хрома в рубиновых квантовых генераторах служит газоразрядная лампа накачки, которая может быть выполнена в виде спирали, окружающей рубиновый стержень. Заполняется такая лампа смесью неона и криптона, что обеспечивает зеленое свечение.

Для работы полупроводникового лазера внешняя накачка светом не нужна. Для таких лазеров необходимы только соответствующая гетероструктура из полупроводников (обычно, на основе арсенида галлия), и подача электрических сигналов и питания. В настоящее время полупроводниковые лазеры для ВОСП используются более широко, нежели твердотельные. Для первого поколения ВОСП использовались многомодовые полупроводниковые лазеры, спектр которых содержит много продольных мод полупроводникового (п/п) лазера. Соответственно, ширина спектра таких лазеров достатрчно широкая – от 6 нм до 12 нм. Типовой спектр п/п лазера представлен на рис. 2.8.

2.8.

Одномодовые п/п лазеры имеют значительно меньшую ширину спектра (до нескольких ангстрем), что позволяет значительно расширить пропускную способность ВОСП. Типовой спектр п/п лазера показан на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Типовой спектр одномодового п/п лазера.

Основные свойства одномодового п/п лазера перечислены ниже:

1. Одномодовый лазер излучает линейно поляризованный свет.

2. Угловая расходимость излучения на выходе лазера составляет 15 – 20 град.

Лазеры выпускаются сопряженными с оптоволокном.

В настоящее время п/п лазеры выпускаются разной мощности (от милливатт до десятков мВт).

Сравнительные характеристики спектров светодиодов и п/п лазеров показаны на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Сравнение спектров светодиодов и лазерных диодов.

В настоящее время интенсивно развиваются волоконные лазеры, принцип которых описан ниже. Это – самые мощные лазеры.

Фотоприемные устройства.

Фотоприемники, используемые в волоконной оптике, в основном, основаны на внутреннем фотоэффекте. Внутренний фотоэффект – это эффект фотопроводимости, зависящий от освещения. В полупроводниках под воздействием света изменяется электрическое сопротивление полупроводника. Такие фотоприемники изготавливаются, обычно, из CdS, CdSe, PbS и др. Кроме того, в некотрых полупроводниках наблюдается фотогальванический эффект, при котором под воздействием света возникает ЭДС на краях зоны p-n перехода. В таких фотоприемниках используются полупроводники с p-n переходом (Ge, GeAs, InP).

В настоящее время наиболее часто в ВОСП используются два типа фотоприемников: лавинные фотодиоды, и pin - фотодиоды (обычно кремниевые, но могут быть и германиевые). Эти фотодетекторы имеют высокую чувствительность в рабочих спектральных диапазонах, минимальные шумы, высокое быстродействие, линейность отклика, малые размеры, хорошо стыковаться с оптическим волокном.

Кроме оптического волокна, для реализации ВОСП необходимы и другие компоненты, такие как:

• Оптические разьемы, соединители и разветвители, выполненные на базе волоконно-оптической технологии,

• Оптические элементы схемы, такие как градиентные и френелевские линзы (граданы, селфоки), зеркала, поляризаторы, выполненные на базе волоконно оптических технологий,

• Обьемные диффракционные решетки (Брэгговские решетки) в волоконно оптическом исполнении.

• Мультиплексоры и демультиплексоры и др.

Все эти элементы хорошо известны в оптике, причем они давно реализованы в макрооптическом исполнении. В настоящее время, большинство из этих элементов выполнено в волоконно-оптическом исполнении, но не все с достаточно хорошими характеристиками. Интегрирование всех этих разных функциональных элементов в единую систему на единой физической основе – оптическом волокне – является необходимой первоочередной задачей для развития ВОСП. Поэтому интенсивно продолжаются разработки составных элементов ВОСП в волоконно-оптическом исполнении.