Оптические волокна (стр. 2 из 3)
Рис.4. Структура оптического волокна
Кроме вышеперечисленных, к геометрическим параметрам относятся: длина волоконного световода, некруглость (овальность) сердцевины (для МОВ), некруглость (овальность) оболочки, неконцентричность (некоаксиальность, концентричность, коаксиальность) сердцевины и оболочки, концентричность (коаксиальность, неконцентричность, некоаксиальность) покрытия.
| Оптические параметры волокон. |
К оптическим параметрам ОВ отнесем следующие характеристики:
- коэффициент (показатель) преломления сердцевины и оболочки
- разность показателей преломления
- относительная разность показателей преломления
- групповой показатель преломления, эффективный групповой показатель преломления
- профиль показателя преломления
- диаметр модового поля (для ООВ)
- числовая апертура, длина волны среза (для ООВ)
Коэффициент преломления является одной из основных физических характеристик оптических сред и равен корню квадратному из относительной диэлектрической проницаемости среды для электромагнитных волн оптического диапазона. Естественно, показатель преломления зависит от химического состава вещества и имеет различное значение для разных длин волн распространяющегося света. Так для чистого кристаллического кварца в диапазоне длин волн 185 - 3000 нм показатель преломлениядля обыкновенного и необыкновенного лучей меняется от1.676 до 1.499 и от1.689 до 1.507 соответственно.
В оптических волокнах применяется плавленый кварц, а необходимый показатель преломления достигается путем легирования кварца. Типичные значения показателя преломления лежат в диапазоне 1.46 - 1.47. При этом отличие показателя преломления сердцевины от показателя преломления оболочки составляет порядка 1% для многомодовых ОВ и менее 0.4% для одномодовых. Общепринятые обозначения для показателя преломления сердцевины - n1, оболочки - n2. Разность показателей преломления сердцевины n1 и оболочки n2 имеет типовое значение порядка 0.01 для МОВ, менее 0.004 для ООВ, обозначается Dn и вычисляется по формуле:
Dn = n1 - n2
где n1 - максимум показателя преломления сердцевины ОВ,
n2 - показатель преломления оболочки.
Под относительной разностью показателей преломления D понимают величину, равную отношению разности показателей преломления сердцевины и оболочки к показателю преломления сердцевины:
D = (n12 - n22)/2n12 » (n1 - n2)/n1
Эффективный групповой показатель преломления. В волоконно-оптических линиях связи передаются импульсные сигналы, обладающие достаточно сложным спектром. При этом каждая волна, соответствующая некоторой спектральной составляющей, движется со своей фазовой скоростью Vф. В результате волновой пакет, или импульс, движется с групповой скоростью Vгр. Для распространения импульса в бесконечной среде с показателем преломления n верны следующие соотношения:
Vф = c/n, (2.5) Vгр = c/nгр , (2.6) nгр = n - l(dn/dl), (2.7)
где l и c - длина волны и скорость света в вакууме,
nгр - групповой показатель преломления,
dn/dl - производная показателя преломления по длине волны света.
Аналогично для световода эффективный групповой показатель преломления вводится как коэффициент, показывающий во сколько раз скорость распространения импульсных сигналов по световоду меньше скорости света в вакууме. При этом групповая скорость для m-й моды ОВ вычисляется как производная угловой частоты света по постоянной распространения m-й моды:
Vгр = dw/dbm = - (2pc/l2) Ч (dl/dbm),
где w - угловая частота света,
bm - постоянная распространения m-й моды.
Первые (многомодовые) ОВ изготавливались с Профилем Показателя Преломления (ППП) в виде ступенчатой функции, показанной на рис.5а). Следующим шагом в развитии технологии производства световодов было изготовление ОВ с градиентным ППП (рис.5б)), обладающих существенно меньшей межмодовой дисперсией и, как следствие, более чем на порядок увеличенной полосой пропускания (десятки МГц/км для ступенчатых МОВ и порядка одного ГГц/км для градиентных МОВ). В градиентных МОВ, также как и в ступенчатых, диаметр сердцевины составляет 50 мкм, однако, показатель преломления изменяется плавно, по закону, близкому к параболическому. Как было показано в многочисленных исследованиях, именно такой ППП обеспечивает минимальное дисперсионное искажение сигнала. Этот факт подробнее будет рассмотрен позже при обсуждении дисперсионных характеристик ОВ.
Ðèñ.5. Ïðîôèëü ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ÌÎÂ ( à), á) ) è ÎÎÂ ( â), ã)).
Среди одномодовых ОВ можно выделить волокна с несмещенной и со смещенной дисперсией, для которых ППП существенно отличается - рис.5в) и рис.5г) соответственно.
Диаметр модового поля.
Радиальная зависимость амплитуды поля фундаментальной моды HE11 (LP01) одномодового ОВ носит плавно спадающий характер и близка к гауссовому закону (рис.6б)). Под диаметром модового поля понимают удвоенное расстояние между точкой на сечении ОВ, в которой амплитуда поля моды максимальна и точкой, в которой амплитуда поля моды меньше максимального значения в е (е = 2.718) раз.
Рис.6. Распределение интенсивности по сечению а) и радиальное распределение поля E б) для мод LP01 и LP11; в) - срез ОВ (соотношение диаметра сердцевины и оболочки не соблюдено).
Погрешность концентричности модового поля определяется как расстояние (на сечении ОВ) между центром модового поля и центром окружности сечения внешней поверхности оболочки ОВ. Погрешность концентричности модового поля измеряется в абсолютных величинах и не должна превышать 1 мкм.
Числовая апертура.
Для многомодовых волокон числовая апертура NA определяется как синус наибольшего угла Jm меридианного луча, который может направляться волокном:
NA = sinJm
Здесь Jm - угол в свободном пространстве относительно оси ОВ, т.е. угол ввода оптического излучения в ОВ. Меридианный луч - луч, лежащий в плоскости оси ОВ. Числовая апертура может быть рассчитана через показатели преломления сердцевины n1 и оболочки n2:
NA = (n12 - n22)1/2
В заключении хотелось бы привести один интересный пример изготовления оптических волокон на основе фотонных кристаллов.
Создание фотонных кристаллов и оптических волокон («дырчатых» световодов) на их основе является одним из наиболее значительных доствижений оптических технологий последних лет. Это научное направление в настоящее время бурно развивается: в мире стремительно растет число научных групп, занимающихся исследованиями фотонных кристаллов, открываются новые потенциальные области их применения.
В настоящее время известны два типа волоконных световодов со структурой фотонных кристаллов. Это волоконные световоды со сплошной световедущей жилой, о которых упоминалось выше, и волоконные световоды с полой световедущей жилой. В России и те, и другие называются дырчатыми волокнами, хотя на самом деле между ними существует важное различие в механизмах, обеспечивающих волноведущие свойства световодов.
Дырчатый световод со сплошной световедущей жилой представляет собой сердцевину из кварцевого стекла в оболочке из фотонного кристалла (кварцевое стекло с воздушными полостями-каналами), имеющей более низкий средний коэффициент преломления по отношению к жиле. Поэтому волноведущие свойства таких световодов обеспечиваются одновременно двумя эффектами: полного внутреннего отражения, как в обычных световодах, и зонными свойствами фотонного кристалла. Наличие оболочки в виде фотонного кристалла существенно отличает дырчатые волокна от обычных волоконных световодов.
 |  |
| Рис. 7.Поперечное сечение дырчатого волокна со сплошной световедущей жилой в центре | Рис. 8.Поперечное сечение дырчатого волокна с полой световедущей жилой |
Дырчатые световоды с большим диаметром световедущей жилы также могут использоваться в качестве среды передачи световых потоков высокой интенсивности.
Благодаря своим уникальным дисперсионным свойствам, дырчатые световоды уже находят свое применение в качестве компенсаторов дисперсии в волоконных системах связи. Они достаточно легко и с малыми потерями привариваются к стандартному оптическому волокну и совмещаются с другими элементами волоконно-оптических систем.
В дырчатом волокне с малыми размерами соответствующей жилы снижаются пороги всех нелинейных эффектов, что представляет большой интерес для создания эффективных рамановских лазеров и усилителей, генераторов континуума и оптических переключателей. Очень привлекательной является идея создания генератора суперконтинуума — источника белого света с очень высокой энергетической яркостью. Такие источники могут применяться в DWDMсистемах, а также в спектроскопии и метрологии.
Технология изготовления дырчатых волоконных световодов с полой световедущей жилой практически не отличается от технологии аналогичных световодов со сплошной световедущей жилой. Основное отличие этого волокна заключается в том, что световедущая жила представляет собой не кварцевый стержень, а воздушную полость с диаметром, превышающим диаметр d регулярных воздушных каналов в оболочке (рис. 8). Такая структура может направлять излучение видимого и ближнего ИК диапазонов. В этом случае волноводный режим обеспечивается исключительно зонной структурой фотонного кристалла. Свойства дырчатых световодов с полой световедущей жилой (потери, дисперсионные и нелинейные характеристики) изучены недостаточно. Ясно лишь то, что свет в таких световодах, в отличие от стандартных, распространяется преимущественно в полой сердцевине, а не по кварцу. Казалось бы, что потери в таких световодах должны быть очень низкими, так как материальное поглощение и релеевское рассеяние в воздухе ничтожны по сравнению с кварцевым стеклом.