Використання світловодів (стр. 2 из 3)

3. Параметри оптичних волокон

3.1 Геометричні параметри оптичних волокон

Серед геометричних параметрів ОВ виділяють параметри кварцового світловода й параметри покриття. Перші є найбільш істотними й визначають тип світловода. Найбільш важливий параметр ОВ - діаметр серцевини, оскільки геометричні розміри й профіль показника заломлення серцевини визначають модовий сполука ОВ. Під діаметром серцевини розуміють діаметр центральної області ОВ з високим значенням показника заломлення. Під діаметром серцевини розуміють діаметр за рівнем 0.1 від максимального значення коефіцієнта заломлення (на осі ОВ). Структура ОВ із вказівкою типових параметрів показана на мал.4.

Рис.4. Структура оптичного волокна

Крім перерахованих вище, до геометричних параметрів ставляться: довжина волоконного світловода, некруглість (овальність) серцевини (для МОВ), некруглість (овальність) оболонки, неконцентричність (некоаксиальність, концентричність, коаксиальність) серцевини й оболонки, концентричність (коаксиальність, неконцентричність, некоаксиальність) покриття.

3.2 Оптичні параметри волокон

До оптичних параметрів ОВ віднесемо наступні характеристики:

- коефіцієнт (показник) заломлення серцевини й оболонки

- різниця показників заломлення

- відносна різниця показників заломлення

- груповий показник заломлення, ефективний груповий показник заломлення

- профіль показника заломлення

- діаметр модового поля (для ООВ)

- числова апертура, довжина хвилі зрізу (для ООВ)

Коефіцієнт заломлення є однієї з основних фізичних характеристик оптичних середовищ і дорівнює кореню квадратному з відносної діелектричної проникності середовища для електромагнітних хвиль оптичного діапазону. Природно, показник заломлення залежить від хімічного складу речовини й має різне значення для різних довжин хвиль світла, що поширюється. Так для чистого кристалічного кварцу в діапазоні довжин хвиль 185 - 3000 нм показник заломлення для звичайного й незвичайного променів міняється від1.676 до 1.499 і від1.689 до 1.507 відповідно.

В оптичних волокнах застосовується плавлений кварц, а необхідний показник заломлення досягається шляхом легування кварцу. Типові значення показника заломлення лежать у діапазоні 1.46 - 1.47. При цьому відмінність показника заломлення серцевини від показника заломлення оболонки становить порядку 1% для багатомодових ОВ і менш 0.4% для одномодових. Загальноприйняті позначення для показника заломлення серцевини - n1, оболонки - n2. Різниця показників заломлення серцевини n1 й оболонки n2 має типове значення порядку 0.01 для МОВ, менш 0.004 для ООВ, позначається Dn й обчислюється по формулі:

Dn = n1 - n2

де n1 - максимум показника заломлення серцевини ОВ, n2 - показник заломлення оболонки.

Під відносною різницею показників заломлення D розуміють величину, рівну відношенню різниці показників заломлення серцевини й оболонки до показника заломлення серцевини:

D = (n12 - n22)/2n12 » (n1 - n2)/n1

Ефективний груповий показник заломлення. У волоконно-оптичних лініях зв'язку передаються імпульсні сигнали, що володіють досить складним спектром. При цьому кожна хвиля, що відповідає певній спектральній складовії, рухається зі своєю фазовою швидкістю Vф. У результаті хвильовий пакет, або імпульс, рухається із груповою швидкістю Vгр. Для поширення імпульсу в нескінченному середовищі з показником заломлення n вірні наступні співвідношення:

Vф = c/n, (2.5)

Vгр = c/nгр , (2.6)

nгр = n - λ(dn/d λ), (2.7)

де λ й c - довжина хвилі й швидкість світла у вакуумі,

nгр - груповий показник заломлення,

dn/d λ - похідна показника заломлення по довжині хвилі світла.

Аналогічно для світловода ефективний груповий показник заломлення вводиться як коефіцієнт, що показує в скільки разів швидкість поширення імпульсних сигналів по світловоду менше швидкості світла у вакуумі. При цьому групова швидкість для m-й моди ОВ обчислюється як похідна кутової частоти світла по постійної поширення m-й моди:

Vгр = dw/dbm = - (2pc/ λ 2) Ч (d λ /dbm),

де w - кутова частота світла,

bm - постійна поширення m-й моди.

Перші (багатомодові) ОВ виготовлялися із Профілем Показника Заломлення (ППП) у вигляді східчастої функції, показаної на мал. 5а). Наступним кроком у розвитку технології виробництва світловодів було виготовлення ОВ із градієнтним ППП (мал.5б)), що володіють істотно меншою міжмодовою дисперсією й, як наслідок, більш ніж на порядок збільшеною смугою пропущення (десятки Мгц/км для східчастих БОВ і порядку одного Ггц/км для градієнтних БОВ). У градієнтних БОВ, також як й у східчастих, діаметр серцевини становить 50 мкм, однак, показник заломлення змінюється плавно, за законом, близькому до параболічного. Як було показано в численних дослідженнях, саме такий ППП забезпечує мінімальне дисперсійне перекручування сигналу. Цей факт докладніше буде розглянутий пізніше під час обговорення дисперсійних характеристик ОВ.

Рис1.Профіль показника заломлення.

Серед одномодових ОВ можна виділити волокна з незміщеною й зі зміщеною дисперсією, для яких ППП істотно відрізняється - мал.5в) і мал.5г) відповідно.

Діаметр модового поля.

Радіальна залежність амплітуди поля фундаментальної моди HE11 (LP01) одномодового ОВ носить плавно спадаючий характер і близька до гауссового закону (мал.6б)). Під діаметром модового поля розуміють подвоєну відстань між точкою на перетині ОВ, у якій амплітуда поля моди максимальна й точкою, у якій амплітуда поля моди менше максимального значення в е (е = 2.718) разів.

Рис.6. Розподіл інтенсивності по перетині а) і радіальний розподіл поля E б) для мод LP01 й LP11; в) - зріз ОВ (співвідношення діаметра серцевини й оболонки не дотримана).

Погрішність концентричності модового поля визначається як відстань (на перетині ОВ) між центром модового поля й центром окружності перетину зовнішньої поверхні оболонки ОВ. Погрішність концентричності модового поля виміряється в абсолютних величинах і не повинна перевищувати 1 мкм.

Числова апертура.

Для багатомодових волокон числова апертура NA визначається як синус найбільшого кута Jm меридіанного променя, що може направлятися волокном:

NA = sin Jm

Тут Jm - кут у вільному просторі щодо осі ОВ, тобто кут уведення оптичного випромінювання в ОВ. Меридіанний промінь - промінь, що лежить у площині осі ОВ. Числова апертура може бути розрахована через показники заломлення серцевини n1 й оболонки n2:

NA = (n12 - n22)1/2

У висновку хотілося б привести один цікавий приклад виготовлення оптичних волокон на основі фотонних кристалів.

Створення фотонних кристалів й оптичних волокон («дірчастих» свіетловодів) на їхній основі є одним з найбільш значних досягнень оптичних технологій останніх років. Це науковий напрямок у цей час бурхливо розвивається: у світі стрімко росте число наукових груп, що займаються дослідженнями фотонних кристалів, відкриваються нові потенційні області їхнього застосування.

У цей час відомі два типи волоконних світоводів зі структурою фотонних кристалів. Ці волоконні світловоди із суцільною світловедучою жилою, про які згадувалося вище, і волоконні світловоди з полою світловедучою жилою. У Росії й ті, і інші називаються дірчастими волокнами, хоча насправді між ними існує важлива різниця в механізмах, що забезпечують хвилеведучі властивості світловодів.

Дірчастий светловод із суцільною світловедучою жилою являє собою серцевину із кварцового скла в оболонці з фотонного кристала (кварцове скло з повітряними порожнинами-каналами), що має більш низький середній коефіцієнт заломлення стосовно жили. Тому хвилеведучі властивості таких світоводів забезпечуються одночасно двома ефектами: повного внутрішнього відбиття, як у звичайних світловодах, і зонними властивостями фотонного кристала. Наявність оболонки у вигляді фотонного кристала істотно відрізняє дірчасті волокна від звичайних волоконних світоводів.

Рис. 7.Поперечний переріз дірчастого волокна із суцільною хвилеведучою жилою в центрі

Рис. 8.Поперечний переріз дірчастого волокна з полою хвилеведучою жилою

Дірчасті світловоди з більшим діаметром хвилеведучої жили також можуть використовуватись як середовище передачі світлових потоків високої інтенсивності.

Завдяки своїм унікальним дисперсійним властивостям, дірчасті світловоди вже знаходять своє застосування як компенсатори дисперсії у волоконних системах зв'язку. Вони досить легко й з малими втратами приварюються до стандартного оптичного волокна й сполучаються з іншими елементами волоконно-оптичних систем.

У дірчастому волокні з малими розмірами відповідної жили знижуються пороги всіх нелінійних ефектів, що становить великий інтерес для створення ефективних рамановских лазерів і підсилювачів, генераторів континуума й оптичних перемикачів. Дуже привабливої є ідея створення генератора суперконтинуума - джерела білого світла з дуже високою енергетичною яскравістю. Такі джерела можуть застосовуватися в DWDM системах, а також у спектроскопії й метрології.

Технологія виготовлення дірчастих волоконних світоводів з полою хвилеведучою жилою практично не відрізняється від технології аналогічних світловодів із суцільною хвилеведучою жилою. Основна відмінність цього волокна полягає в тім, що світловедуча жила являє собою не кварцовий стержень, а повітряну порожнину з діаметром, що перевищує діаметр d регулярних повітряних каналів в оболонці (мал. 8). Така структура може направляти випромінювання видимого й ближнього ИЧ діапазонів. У цьому випадку хвилевідний режим забезпечується винятково зонною структурою фотонного кристала. Властивості дірчастих світловодів з полою хвилеведучою жилою (втрати, дисперсійні й нелінійні характеристики) вивчені недостатньо. Ясно лише те, що світло в таких світловодах, на відміну від стандартних, поширюється переважно в порожній серцевині, а не по кварці. Здавалося б, що втрати в таких світловодах повинні бути дуже низькими, тому що матеріальне поглинання й релеєвське розсіювання в повітрі незначні в порівнянні із кварцовим склом.