ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД И 1 2 СВОЙСТВА ПОЛЕВОДА ОСНОВАННЫЕ НА ЗАКОНАХ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ

Профиль показателя преломления различных типов оптических волокон:слева вверху — одномодовое волокно;слева внизу — многомодовое ступенчатое волокно;справа — градиентное волокно с параболическим профилем

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 микрон. Благодаря малому диаметру сердцевины оптическое излучение распространяется по волокну в одной (основной, фундаментальной) моде и, как результат, отсутствует межмодовая дисперсия.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрона в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и так далее.

Полимерные (пластиковые) волокна производят диаметром 50, 62,5, 120 и 980 микрометров и оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.

В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон. Сердечник в таком волокне изготовляют из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочку — из фторированных PMMA (фторполимеров).

3 Типы волокна

Оптическое волокно – это сочетание стеклянного волокна с защитным покрытием, являющимся конструктивным элементом. Термин используется обычно при рассмотрении конструктивных и технологических особенностей волоконно оптических кабелей.

Термины «оптическое волокно» и «волоконный световод» являются синонимами. Последний обычно применяется при рассмотрении вопросов передачи информации с помощью законов оптики.

Рисунок 1.4 – Поперечное сечение и ППП ступенчатого многомодового (а), градиентного многомодового (б) и ступенчатого одномодового (в) волокна

Принцип передачи электромагнитной энергии по ступенчатому многомодовому, градиентному многомодовому и ступенчатому одномодовому волокну представлен на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Лучевой принцип распространения электромагнитной энергии по ступенчатому многомодовому (а), градиентному многомодовому (б) и ступенчатому одномодовому (в) волокну

Лучи света входят в сердцевину волокна с торца и удерживаются за счёт полного внутреннего отражения внутри сердцевины (рисунок 1.5,а), или изгибаются в направлении градиента показателя преломления (рисунок 1.5, б).

1 Виды световодов

Световод – это устройство, ограничивающее область распространения оптических колебаний и направляющее поток световой энергии в заданном направлении.
Различают два вида световодов: плоские и волоконные (рисунок 1.1, 1.2)

Плоские (планарные) световоды в свою очередь подразделяют на плёночные (рисунок 1.1,а) и канальные (рисунок 1.1,б).

Волоконный световод (ВС) – это направляющая система, выполненная в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, состоящая из сердцевины и оболочки, по которой осуществляется передача световых волн.

Волоконные световоды бывают однослойные (рисунок 1.2,а), двухслойные (рисунок 1.2,б) и трёхслойные (рисунок 1.2,в) и т.д. Показатель преломления материала сердцевины n1= √ε1, а оболочки – n2= √ε2, где ε1 и ε2 – относительные диэлектрические проницаемости. Относительная магнитная проницаемость материала μ обычно постоянна и равна единице. Показатель преломления вакуума n0 равен единице.

Типичный волоконный световод представляет собой длинную нить диаметром от 100 до 1000мкм в зависимости от применений, состоящую из цилиндрической сердцевины, окружённой одной или несколькими оболочками из материалов с меньшими показателями преломления. Показатель преломления оболочки постоянен, а сердцевины в общем случае является функцией поперечной координаты (например, радиуса в случае круглого световода). Эту функцию называют профилем показателя преломления (ППП).

Отрезки световодов используют для построения оптических устройств как активных (генераторов, модуляторов, демодуляторов и т.п.), так и пассивных (ответвителей, мостов, соединителей и т.п.).

Волны, частицы и электромагнитный спектр

Рис. 2.1. Типы поляризаций: а — линейная; б — круговая; в — эллиптическая

Свет представляет собой один из видов электромагнитной энергии, такой же как радиоволны, рентгеновские лучи и, наконец, электронные цифровые импульсы. Электромагнитные волны— это переменные магнитные и электрические поля, направленные перпендикулярно друг другу и направлению распространения. Световая волна является поперечной волной. Если электрическое и магнитное поля колеблются в плоскости, то в фиксированной точке пространства (Z) конец вектора напряженности электрического или магнитного поля с течением времени перемещается вдоль отрезка прямой линии. Такую волну называют линейно-поляризованной. Если вектор , оставаясь неизменным по величине, вращается с угловой частотой ω вокруг направления 0, то конец вектора описывает окружность. Волны такого типа называются волнами с круговой поляризацией. При произвольных значениях амплитудных и начальных фазовых составляющих вектора (Eх, Еу, и φх, φу) в фиксированной точке пространства Z конец этого вектора описывает эллипс. Волны такого типа принято называть волнами с эллиптической поляризацией (рис 2.1).

В физике все виды материи разделяются либо на волны, либо на частицы. Обычно свет представляется в виде волн, а электроны — в виде частиц. Однако современные физические исследования показали, что четкой границы между частицами и волнами не существует. Поведение как частицы, так и волны может быть и корпускулярным, и волновым.

Частицы света называются фотонами. Фотон представляет собой квант, или пакет излучения. Квант — это элементарная единица излучения. Нельзя наблюдать половину или 5,33 кванта. Количество энергии, переносимое фотоном, увеличивается с ростом частоты: большие частоты соответствуют большему количеству энергии. Длине волны фиолетового диапазона, имеющей большую частоту, соответствует большее количество энергии, чем волнам красного диапазона. Энергия, запасенная в одном фотоне,

=, (2.1) где — частота и h — постоянная Планка, равная 6,63х10-34Дж∙с (джоуль секунда).

Из уравнения видно, что энергия фотона пропорциональна частоте (или длине волны).

Существует несколько уровней энергии для различных высокочастотных длин волн и, чем выше частота, тем большую энергию имеет квант.

Инфракрасный свет (1013 Гц) 6,63 х10-20 Дж ∙ с

Видимый свет (1014 Гц) 6,63 х10-19 Дж ∙ с

Ультрафиолетовый свет (1015 Гц) 6,63 х10-18Дж ∙ с

Рентгеновские лучи (1018 Гц) 6,63 х10-15 Дж ∙с

Фотон является странной частицей с нулевой массой покоя. Если он не движется, то не существует. В этом смысле фотон не является частицей, такой как камень или капля чернил. Он служит вместилищем энергии, но ведет себя как частица.

В волоконной оптике свет рассматривают и как частицу, и как волну. Обычно в зависимости от смысла используют либо одно, либо другое понятие. Например, многие характеристики оптического волокна основаны на длине волны, и свет рассматривается как волна. Однако испускание света источником или его поглощение детектором лучше описывается теорией частиц.

Рис. 2.2. Электромагнитный спектр

Видимый свет находится в пределах диапазона волн 390-760 нанометров (нм=10-9 м), или 0,39-0,76 тысячных частей мм. Сравните это с радиоволнами, которые имеют длину волны от сотен до тысяч метров! Свет в общем использовании означает только видимый свет, но этот термин обычно расширяется и включает и ультрафиолетовое (коротковолновое), и инфракрасное излучение (длинноволновое). Фактически термин свет охватывает весь спектр излучения, который может управляться подобным способом (линзами, сетками, призмами и т.д.). Этот более широкий диапазон находится в пределах от 190 нм (ультрафиолетовый свет) до 2000 нм (инфракрасный свет).

В оптической связи с помощью волоконных световодов используется приграничный с инфракрасным диапазоном волны от 800 до 1600 нм. На данном этапе в волоконно-оптических системах передачи ВОСП в казанном диапазоне применяется пять окон прозрачности (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Диапазоны длин волн окон прозрачности

Высокие частоты света или малые длины волн представляют большой интерес с точки зрения коммуникационной технологии, так как более высокие частоты несущей волны означают большую скорость передачи информации. Технология волоконной оптики позволяет использовать потенциальную возможность света и обеспечивать высокую скорость передачи информации.

Основным элементом волоконно-оптического кабеля (ВОК), или в дальнейшем оптического кабеля (ОК), является волоконный световод (ВС). Волоконный световод, или оптическое волокно (ОВ), — это оптический волновод ВОСП, предназначенный для направленной передачи оптического излучения, выполненный в виде тонкой стеклянной нити цилиндрической формы с круглым поперечным сечением. Оптическое волокно состоит из сердцевины, одной или нескольких оболочек и одного или нескольких защитных покрытий.

Сердцевина ОВ — это центральная область ОВ, через которую передается основная часть оптической мощности сигнала. Среднее значение показателя преломления (ПП) оболочки меньше среднего значения в сердцевине. В ОВ применяются однородные или депрессированные оболочки. У однородных оболочек ОВ значение ПП постоянное, у депрессированных переменное. Диэлектрическим материалом для сердцевины и оболочки ОВ служит плавленый кварц (кварцевое стекло), чистый или с примесями химических элементов и их соединений, небольшие пропорции которых способствуют изменению оптических свойств плавленого кварца должным образом. Плавленный кварц — это аморфное, прозрачное вещество с химической формулой двуокиси кремния SiO2. Сердцевина и оболочка ОВ обладают разными оптическими характеристиками (показателями преломления 1 и 2). Если сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии, то оболочка — для создания лучших условий отражения на границе раздела сердцевина — оболочка, защиты сердцевины волокна от механических повреждений, а также для защиты от излучения энергии в окружающее пространство и поглощения нежелательного излучения извне.

Рис. 2.3. Профили показателей преломления различных световодов:

многомодовых: 1 – ступенчатого, 2 – градиентный;

одномодовых: 3 – ступенчатого, 4 – треугольного, 5 – типа

Рис. 2.4. Волоконные световоды: а – ступенчатые многомодовые; б – градиентные многомодовые; в — одномодовые

Профили показателей преломления (ППП) различных ОВ приведены на рис. 2.3. П ПП многомодовых ОВ подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых ВС показатель преломления в сердцевине постоянен и имеется резкий переход от 1 сердцевины к 2 оболочки. Градиентные ВС имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии.

В одномодовых ОВ ППП, в свою очередь, подразделяется на ступенчатый, треугольный, типа (рис. 2.3).

Траектории лучей в световодах различных групп представлены на рис. 2.4. В ступенчатом многомодовом световоде лучи резко отражаются от границы сердцевина–оболочка. При этом пути следования различных лучей различны, и поэтому они приходят к концу линии со сдвигом во времени, что приводит к искажению передаваемого сигнала (дисперсии). В градиентных световодах лучи распространяются по волнообразным траекториям, поэтому искажений меньше. В наилучших условиях находится одномодовая передача, так как здесь распространяется лишь один луч.

Математически профиль показателя преломления (ППП) ОВ может быть описан выражением вида:

где 1 — максимальное значение ППП на оси волокна, т.е. при =0; а — радиус сердцевины; — показатель степени, описывающий изменение ППП; ∆ — относительная разность показателей преломления сердцевины и оболочки ОВ. В разных волокнах значение ∆ меняется от 0,003 до 0,01.

Показатель степени для треугольного профиля ПП равен 1, параболического — 2, а прямоугольного (ступенчатого) — ∞.

Физические процессы, происходящие при распространении электромагнитных волн в волоконных световодах оптических кабелей, имеют свои особенности. В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводимостью и током проводимости пр, ОК имеют совершенно другой механизм передачи, а именно: токи смещения см на основе которых действует также радиопередача. Однако волна в ОК распространяется не в свободном пространстве, а концентрируется в самом объеме световода и передается по нему в заданном направлении (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Процесс передачи волны по световоду

Например, передача волны по световоду со ступенчатым профилем показателя преломления осуществляется за счет отражений ее от границы сердечника и оболочки, имеющих разные показатели преломления (1 и 2).

В обычных кабелях носителем пере даваемой информации является электрический ток, а в ОК — лазерный луч.

Рис. 2.6. Передача по направляющим схемам: а – двухпроводной; б — волноводной

В симметричных и коаксиальных кабелях передача осуществляется по двухпроводной схеме с применением прямого и обратного проводника цепи. В световодах, волноводах и некоторых других направляющих системах нет двух проводников, и передача происходит волноводным методом за счет многократного отражения волны от границы раздела сред (рис. 2.6). Такой отражающей границей может быть металл — диэлектрик, диэлектрик — диэлектрик с различными диэлектрическими (оптическими) свойствами и др. На волноводном принципе действуют световод, волновод, линия поверхностной волны, диэлектрический волновод и другие конструкции направляющих систем.

Рис. 2.7. Распространение волн в световоде для частот:

а – очень высоких; б – менее высоких; в — критических

Во втором случае волна часто отражается и поступательное движение ее весьма мало. В этом случае вдоль световода передается незначительная доля энергии.

При определенной длине волны λ≈d (рис. 2.7 в) -наступает такой режим, когда θ = 0, волна падает на оболочку световода и отражается перпендикулярно. В световоде устанавливается режим стоячей волны, и энергия вдоль световода не перемещается. Этот режим соответствует критической длине волны λ0 =d и критической частоте 0=/.

Таким образом, в световоде могут распространяться лишь волны длиной меньшей, чем диаметр сердцевины световода (λ<). С учетом того, что, например, в световоде со ступенчатым ППП границей раздела сердцевина — оболочка являются прозрачные стекла, возможно не только отражение оптического луча, но и проникновение его в оболочку. Для предотвращения перехода энергии в оболочку и излучения в окружающее пространство необходимо соблюдать условия полного внутреннего отражения. Реализация этого условия применительно к двухслойному световоду показана на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Принцип действия волоконного световода:

1 — имеется преломленный луч; 2 и 3- отсутствует преломленный луч

где μ1 и ε1, μ2 и ε2 — магнитная и диэлектрическая проницаемости сердцевины и оболочки.

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие ввода света во входной торец волоконного световода. Как видно из рис. 2.8 световод пропускает лишь свет, заключенный в пределах телесного угла θА, который обусловлен углом полного внутреннего отражения θв.

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии дают волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Диск фрисби, освещённый оптическим волокном

Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в какую-нибудь часть здания. Также в автомобильной светотехнике (индикация на приборной панели).

Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки.

Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Оптическое волокно используется при конструировании волоконного лазера.

Волновые конвертеры

В ряде случаев, помимо фильтрации и мультиплексирования сигналов с различными длинами волн, возникает необходимость преобразования одной длины волны в другую, что называется конвертированием длины волны. Принцип действия устройств, осуществляющих данное преобразование, основан на использовании нелинейного эффекта в оптических волокнах, например, в волокнах со смещенной нулевой

дисперсией

, который приводит к явлению четырехволнового смешения.

В этом случае длина волны преобразованного излучения определяется из выражения:

λ

0

— длина волны основного излучения;

λ

N

— длина волны основного излучения;

Другой способ реализации оптического конвертера основан на эффектах нелинейного взаимодействия двух оптических сигналов различной длины волны, в результате которого образуется сигнал новой длины волны. Данный принцип может быть осуществлен на использовании сегнетодиэлектриков, например, кристалле ниобата лития, с созданной в нем периодической поляризацией, обеспечивающей усиление взаимодействия оптических волн.

Оптический конвертер на кристалле ниобата лития

Направленный ответвитель

Направленный ответвитель позволяет передавать мощность в одном направлении (от 1 до 3), тогда как мощность на той же длине волны принимается с другого направления и передается от 3 до 2.

Также направленные ответвители используются как фильтры в рефлектометрах для измерения параметров оптических волокон.

Применение направленного ответвителя в оптическом рефлектометре

Мультиплексоры плотного волнового мультиплексирования (DWDM)

Мультиплексоры плотного волнового мультиплексирования обладают значительно меньшим шагом между длинами волн, чем обычные WDM мультиплексоры. Пучок света в данных мультиплексорах проходит через дифракционную структуру демультиплескора и раскладывается на составляющие длины волн и также в обратном порядке несколько длин волн мультиплексируются в один пучок.

Мультиплексоры DWDM:

а — на одной волновод пластине;

б — на двух волновод пластинах.

Волоконно-оптические фильтры с фиксированной характеристикой

Такие фильтры могут осуществлять ограничение либо с одной стороны, либо с двух сторон диапазона длин волн. В последнем случае полоса пропускания составляет от 1 нм (узкая полоса пропускания) до 60 нм (широкая полоса пропускания).

Волоконно-оптические фильтры с фиксированной характеристикой

Настраиваемые волоконно-оптические фильтры

Выбор длины волны в таких фильтрах может осуществляться изменением угла наклона плоскости фильтра, его линейным перемещением или вращением.

Настраиваемые волоконно-оптические фильтры

Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла или пластика) и имеет диаметр (для одномодового волокна), 50 или 62,5 мкм (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр и состоит из материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, многократно отражаясь от оболочки.

Возможны и более сложные конструкции: в качестве сердцевины и оболочки могут применяться двумерные фотонные кристаллы, вместо ступенчатого изменения показателя преломления часто используются волокна с градиентным профилем показателя преломления, форма сердцевины может отличаться от цилиндрической. Такие конструкции обеспечивают волокнам специальные свойства: удержание поляризации распространяющегося света, снижение потерь, изменение дисперсии волокна и др.

Оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, как правило, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может различаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.

Оптические изоляторы

В высокоскоростных волоконно-оптических системах передачи информации для защиты лазерных диодов от паразитных искажений со стороны кабеля применяют оптические изоляторы.

Оптический изолятор:

1 — поляризатор;

2 — ячейка Фарадея;

3 — анализатор.

Делители оптической мощности

Неселективные разветвители

подразделяют на два основных типа:

Потери при распределении мощности излучения в системе с Т образными соединителями возрастают пропорционально числу абонентов, а в системе со звездообразными разветвителями — пропорционально логарифму числа оконечных устройств N. Так в системе с 20-ю оконечными устройствами общие потери составляют в первом случае 130 дБ, а во втором — 28 дБ. Поэтому в системах с большим количеством абонентов целесообразно применение звездообразных соединительных устройств.

По своей конструкции разветвители разделяют на две основные группы:

Биконический разветвитель

Торцевой разветвитель:

1 — входной волоконный световод;

2 и 3 — выходные волоконные световоды

Разветвитель с ветвящейся структурой:

1 — вход ной волоконный световод,

2 и 3 — выходные волоконные световоды

В разветвителях со вспомогательными элементами широко используют диэлектрические цилиндрические линзы, представляющие собой отрезок градиентного волоконного световода с параболическим профилем показателя преломления.

Разветвители со вспомогательными элементами:

а — с частично отражающим покрытием;

б — без отражающего покрытия;

Световоды:

1 — входной волоконный световод;

2 и 3 — выходные волоконные световоды.

Звездообразный разветвитель состоит из цилиндрического корпуса со стеклянным смесительным стержнем. Один из концов смесительного стержня представляет собой сферическое зеркало, а на другой конец нанесено просветляющее покрытие.

Звездообразный разветвитель:

1 — пучок волоконных световодов;

2 — смесительный стержень;

3 — сферическое зеркало;

4 — просветляющее покрытие.