Волоконные приборы квантовой электроники

Оптоволоконные линии связи

Волоконные линии связи являются важнейшим классом оптоэлектронных устройств. К их достоинствам по сравнению с традиционными относятся: широкополосность, высокая помехозащищенность, малые габариты и масса, потенциально низкая стоимость, отсутствие дефицитных металлов.

Большие потенциальные возможности оптической связи долге время оставались практически нереализованными из-за отсутствия направляющих систем для оптического излучения. Практическое использование световодов стало возможным с 1970 года, когда было получено волокно длиной несколько сот метров с потерями менее 20дБ/км.

История создания. Статья в IEEE (Труды ТИИЭР). 1970 – 16дБ/км (1-2км), 1974 – 2дБ/км (10-20км), 1985 – Ла-Манш, 1988 – Америка-Европа. Сейчас 0.2дБ/км. Оконное стекло – 10⁵дБ/км. 5мм стекла = 2.5км световода. Это не предельное значение. Для BeF теоретический коэффициент затухания 0.01Дб/км

Для передачи сигнала по оптоволокну используется эффект полного внутреннего отражения. Упрощенная схема процесса в приближении геометрической оптики представлена на рис.

Оптическое волокно состоит из сердечника, по которому распространяется свет и оболочки. Последняя в свою очередь заключена в оплетку, которая защищает поверхность волокна и повышает его прочность. Коэффициент преломления сердечника п₁ превышает коэффициент преломления оболочки п₂, поэтому лучи, распространяющиеся под малыми углами испытывают полное отражение от границы раздела этих двух сред.

Для полного внутреннего отражения света, входящего в волокно под углом q, необходимо выполнение условия

Поскольку разница между коэффициентами преломления невелика, максимальный угол можно приближенно представить как

Этот максимальный угол, под которым свет может проходить в волокно, называется числовой апертурой и обозначается NA. Часто вместо разности п₁ и п₂ используется относительная разность

В этом случае

Относительная разность коэффициентов преломления обычно выражается в процентах. Тогда, например, при п₁ = 1.47 и D = 1% значение NA = 0.21 и q_max = 12^o.

Понятие моды

Параметры линии связи на основе волоконной оптики в существенной степени определяется модовым режимом работы световодов. Понятие моды проще всего рассмотреть в рамках геометрической оптики. Предположим, луч света распространяется под некоторым углом к оси световода. При отражении от границы раздела стержня и оболочки перпендикулярная составляющая луча образует стоячую волну.

Распределение электрического поля в стоячей волне определяется фазовыми сдвигами между падающей и отраженной волнами. Это распределение многократно повторяется вдоль горизонтальной оси с периодом, равным длине волны в материале стержня называется модой. Для возникновения стоячей волны необходимо, чтобы при отражении светового луча вверх и вниз сумма изменений фазы была кратна 2p. Таким образом, для формирования моды угол распространения луча не может быть произвольным, что ограничивает число мод, способных распространяться в конкретном световоде. Основной модой, которая обозначается ТЕ₀. соответствует распространение луча света вдоль оси под нулевым углом. Распределение напряженности электрического поля в стоячей волне этой моды (соответственно и интенсивности света) показано в правой части рисунка.

Частотные параметры световодапомимо прочего связаны с его дисперсией. Дисперсией называют зависимость фазовой скорости распространения волны от длины волны. В случае световода различают три вида дисперсии: межмодовую, внутримодовую и материальную. Межмодовая дисперсия связана с различием скорости разных мод. Внутримодовая дисперсия связана с нелинейной зависимостью постоянной распространения от длины волны. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента преломления от длины волны. Наибольшую величину имеет межмодовая дисперсия. Число мод в случае цилиндрического волновода определяется выражением

Отсюда легко получить условие при котором по световоду может распространяться только одна мода.

При l = 1.3мкм d_c<7мкм.

Одномодовый режим имеет значительные преимущества при передаче информации по линии связи, что обсуждается ниже.

Виды волокон

По характеру распределения коэффициента преломления многомодовые волокна делятся на волокна со ступенчатым и плавным распределением. Оба типа имеют диаметр сердечника около 50мкм и большую (около 1%) относительную разность коэффициентов преломления. Это позволяет эффективно соединять их с источниками света и с другими волокнами.

Скорость распространения моды вдоль волокна выражается простой формулой:

С увеличением порядка моды скорость уменьшается. Разность во времени распространения между первой и самой высокой моды с учетом критического угла

выражается формулой

Следовательно, частотная полоса сигнала В, который можно передать по такому волокну определяется выражением

Если положить D = 1% и п = 1.47, то BL = 20 МГц·км.

В градиентном оптическом волокне свет распространяется по кривой траектории по мере изменения коэффициента преломления. Место, где луч меняет траекторию при отражении, удаляется от оси сердечника по мере увеличения угла распространения. Поскольку скорость распространения обратно пропорциональна коэффициенту преломления, луч распространяющийся ближе к оси и имеющий меньшую моду, будет иметь меньшую скорость. Лучи мод более высокого порядка, отражающиеся дальше от оси и проходящие за один цикл отражения больший путь, продвигаются с большей скоростью, так как проходят часть сердечника с меньшим коэффициентом преломления. В результате скорость распространения лучей с различными модами примерно одинакова.

В этом случае выражение для частоты пропускания приобретает вид

Если взять D = 1% и п = 1.47, то получится BL = 4.1ГГц·км.

В многомодовых волокнах из-за распространения света в виде нескольких сот мод его поляризация случайна и ее или фазу нельзя использовать. Поэтому такие волокна в основном применяются в датчиках, где используется изменение интенсивности света.

Одномодовые волокна имеют сердечник диаметром не более 10мкм и относительную разность коэффициентов преломления около 0.3%. Ширина полосы пропускания этих волокон определяется материальной дисперсией материала и в сотни раз больше, чем у градиентных волокон.

В одномодовом волокне практически существуют две отдельные моды с поляризацией по двум ортогональным направлениям. Моды в этих направлениях обозначаются и . Если волокно идеально симметрично, скорость распространения этих мод одинакова. Однако в реальных оптических волокнах вследствие эллиптичности и эксцентриситета сердечника возникает осевая асимметрия, при которой постоянные распространения двух ортогональных мод будут различаться. Кроме этого при изгибе волокна и температурных возмущениях происходит взаимное преобразование мод и изменение поляризации света, как это показано на рисунке.

Особенно сильно влияние неоднородностей сказывается в случае, когда существует пространственная периодичность в следовании неоднородностей и частота следований совпадает с разностью постоянных распространения.

Важнейшими характеристиками волновода являются полоса пропускания и оптические потери. Оптические потери характеризуются коэффициентом ослабления сигнала, измеряемого в децибелах на километр. Полный коэффициент потерь складывается из торцевых потерь (за счет несовпадения апертур излучателя и световода), френелевских потерь на отражение от торца и линейных потерь, определяемых поглощением и рассеянием света при его распространении по материалу световода. Торцевые потери могут быть сведены к минимуму путем использования излучателя с оптимальной диаграммой направленности и правильного согласования со световодом.

Потери на рассеяние обусловлены в основном двумя причинами. Наличие дефектов материала сердцевины в виде пузырьков газа, кристаллических включений и т.п. При современной технологии этот вид рассеяния становится пренебрежимо малым. Второй вид рассеяния обусловлен рэлеевским рассеянием на флуктуациях плотности материала. Характерной его особенностью является резкая зависимость от длины волны (В ~ l^-4). Для многокомпонентных стекол необходимо также учитывать флуктуации состава материала.

Потери на поглощение связаны с собственным и примесным поглощением материала, аналогичным процессам в полупроводниках. Из-за большой величины запрещенной зоны у стекол их собственное поглощение приводит к появлению широких полос в ультрафиолетовой области спектра. В ближней инфракрасной области основную роль играют многофотонные процессы.

Примесное поглощение возникает вследствие присутствия в стекле ионов металла и ионов гидроксильной группы. Причем, если спектры ионов металлов размыты и мало влияют на форму линий поглощения, то гидроксильная группа дает острые пики поглощения в областях 2.72, 1.24, 0.94, 0.88 и 0.72мкм. Снижение концентрации примесных ионов является основной технологической задачей при производстве оптического волокна.

Основным вопросом технологии изготовления световодов является их стоимость, которая составляет более 70% стоимости всей линии связи. В связи с этим существенное значение имеет выбор оптимальной технологии и использование недефицитных материалов. Наибольшее распространение получили световоды на основе кварцевого стекла, легированные Ge, P, B, F. Наиболее простым и дешевым методом изготовления является метод двойного тигля, схема которого показана на рисунке. Заранее выплавленные стеклянные стержни расплавляются во вставленных один в другой платиновых тиглях с донными отверстиями, через которые вытягивается двухслойное волокно.

Однако невозможность контролирования профиля показателя преломления материала сердцевины, загрязнение расплава примесями не позволяет получать этим методом световоды с полосой пропускания более 300 – 400МГц·км и потерями ниже5 – 10дБ/км. Световоды с лучшими параметрами получают более сложным методом осаждения из газовой фазы. В этом методе мелкодисперсный порошок оксидов, получаемых из галогенидов Si, Ge, D, P и др. осаждается на внутреннюю или внешнюю сторону опорной трубки или стержня с последующим их проплавлением. Из полученной заготовки затем вытягивают световод требуемой длины и диаметра.

С помощью такой технологии получают многомодовые световоды длиной до 20км с потерями 0.5 дБ/км в интервале длин волн 1.2 – 1.7мкм и с потерями 0.2дБ/км при длине волны 1.55мкм. Одномодовые световоды длиной до 100км с потерями менее 0.35дБ/км и полосой пропускания 100ГГц/км.

В процессе вытяжки световода из расплава его одновременно покрывают защитным полимерным слоем силиконовой резины. На основе световодов изготавливают оптические кабели. В простейшем случае он состоит из нескольких световодов, собранных в жгут и покрытых общей эластичной оболочкой.

Волоконные приборы квантовой электроники

Твердотельные лазеры имеют широкое применение в различных областях науки и техники. По сравнению с другими типами лазеров они обладают наивысшими удельными параметрами. Одним из перспективных направлений разработок новых типов твердотельных лазеров является создание волоконных лазеров. В этом типе лазера активное вещество изготавливается в виде оптоволокна, что определяет специфику их работы.

Необходимой частью лазеров является оптический резонатор, обеспечивающий формирование обратной связи. На первых порах резонаторы волоконных лазеров делались по типу обычных открытых резонаторов, т.е. представляли собой два зеркала, расположенные по торцам оптического волокна. Однако использование отражающих зеркал и фокусирующих оптических устройств оказалось мало эффективным. Это вызвано существенной зависимостью добротности резонатора от состояния поверхности среза оптического волокна, сложностью введения излучения накачки и другими трудностями. Интенсивное развитие лазерной техники на основе оптического волокна стало возможным благодаря применению в качестве отражающих элементов внутриволоконных решеток показателя преломления.

Волоконная решетка показателя преломления представляет собой участок световода, в сердцевине которого создана периодическая структура, имеющая пространственное распределение показателя преломления. Схематично такая структура представлена на рисунке.

Как правило, решетка формируется в активной сердцевине волокна, в то время как показатель преломления оболочки оставляется однородным. Такая структура обладает уникальными спектральными характеристиками. Наиболее важной особенностью волоконной решетки является узкополосное отражение излучения, относительная ширина которого может составлять менее 10^-6. Применение волоконных решеток позволяет реализовать полностью волоконное исполнение квантовых приборов и имеет существенное преимущество перед альтернативными технологиями, такими как применение интерференционных зеркал или объемных дифракционных решеток.

Волоконные решетки классифицируются на короткопериодические и длиннопериодические. Короткопериодические решетки называются также решетками Брэгга. Решетки Брэгга имеют период сравнимый с длиной волны излучения.

При выполнении определенных условий вклады отраженного от каждой плоскости решетки излучения складываются в обратном направлении и формируют обратную волну.

Условие отражения можно представить в виде

Такая длина волны называется брегговской. Если условие не выполняется отраженная волна оказывается не в оптимальной фазе, и накопление сдвига фазы приводит в результате к ее затуханию.

Длиннопериодические волоконные решетки имеют относительно большой период 100 – 500мкм и связывают основную моду с модами оболочки. Такие решетки используются в качестве спектрально-селективных элементов в линиях связи и в системах оптических датчиков физических величин.

Методы получения решеток основаны на явлении фоточувствительности кварцевого стекла к ультрафиолетовому излучению. Механизмы фотоиндуцированного изменения коэффициента преломления исследованы недостаточно даже для наиболее изученных стекол. Выяснено, что величина наведенного показателя преломления зависит от таких факторов как метод и условия изготовления, тип и концентрация легирующей присадки, интенсивность и характер облучения и длина волны. Величина модуляции наведенного показателя преломления может достигать значений 5·10^-4, что достаточно для формирования свойств отражателя.

Ввиду малости периода изменения показателя преломления решетки Брега изготавливают, как правило, с использованием интерференционных методов, что требует высокой когерентности источника излучения. Снизить требования к источнику излучения возможно, используя для записи фазовую маску. При этом возможно так изготовить фазовую маску, что модуляция коэффициента преломления будет изменяться по длине решетки и по глубине модуляции.

Запись длиннопериодных решеток производится либо с помощью амплитудных масок, или пошаговым методом.

Как и в обычных твердотельных лазерах в волоконных лазерах в качестве активной среды используются ионы редкоземельных элементов.

Активные ионы редкоземельных элементов имеют излучательный квантовый переход в ближней инфракрасной области, в которой кварцевое стекло наиболее прозрачно. Схемы энергетических уровней наиболее часто используемых элементов представлены на рисунке.

Накачка волоконных лазеров.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: