Волновод (оптика)

Эта статья о волноводах для передачи оптических сигналов или питания. Для волноводов на распространение электромагнитных волн в СВЧ и радио частотных волн, см. Волновод (электромагнетизм). Для других типов волновода, см. Волновод.

Оптический волновод — это физическая структура, которая проводит электромагнитные волны оптического спектра. Распространенные типы оптических волноводов включают в себя оптические волокна и прямоугольные волноводы.

Оптические волноводы используются в качестве компонентов в интегральных оптических схемах [2] или в качестве среды передачи данных в локальных и дальних оптических коммуникационных системах. [3]

Оптические волноводы могут быть классифицированы в соответствии с их геометрией (плоские, прокладки, или оптоволоконные волноводы), с режимом структуры как (Одномодовое оптическое волокно, Многомодовое оптическое волокно), с разным показателем преломления распределённого по (шагу или градиенту индекса) и материалу (кварцевое стекло, полимеры (ПMMA), полупроводники).

Диэлектрические плиты волновода

Диэлектрическая составляющая плиты волновода состоит из трех диэлектрических слоев с разными показателями преломления.

Практически прямоугольный вид геометрии оптических волноводов наиболее легко понять, как варианты теоретической электрической плиты волновода, который также называется как планарный волновод. Плита волновода состоит из трех слоев материала с различной диэлектрической проницаемостью, простирается бесконечно в направлениях, параллельном их интерфейсов (совокупность возможностей, способов и методов взаимодействия двух систем).

Свет может быть направлен в средний слой посредством полного внутреннего отражения. Это происходит только в случае, если диэлектрический индекс среднего слоя больше, чем окружающие ее слои. На практике плиты волноводов не бесконечны в направлении, параллельном интерфейсе, но если типичный размер интерфейсов (совокупность возможностей, способов и методов взаимодействия двух систем) гораздо больше, чем глубина слоя, плиты волновода модели станет отличным от аппроксимации (приблизительно). Сопровождение режимов плиты волновода не может быть возбуждена светом, падающего сверху или снизу интерфейса. Свет должен быть введен с объективом из стороны в средний слой. Кроме того, соединительные элементы могут быть использованы для пара света в волноводе, такие как решетки, муфты или призматические муфты.

Одна модель управляемого режима является тем, что плоские волны [4] отражается назад и вперед между двумя интерфейсами (совокупность возможностей, способов и методов взаимодействия двух систем) среднего слоя, угла падения [5] между направлением распространения света и нормальной, или перпендикулярном направления к материалу на интерфейс больше, чем критический угол. Критический угол зависит от показателя преломления материалов, которые могут варьироваться в зависимости от длины волны света. Такое распространение приведет в управляемом режиме только на дискретный набор углов, где отражены planewave не разрушительно вмешивается в себя.

Эта структура ограничивает электромагнитные волны только в одном направлении, и поэтому он имеет мало практического применения. Структуры, которые могут быть аппроксимирована (приближена к другой плите) в виде плиты волноводов, тем не менее, иногда они бывают в качестве побочных структур в других устройствах.

Двумерные волноводы

Прокладки волноводов

Рис. M. В Mach-Zehnder interferometer, где источник (source) света - гелий-неоновый лазер, часто используется в областях аэродинамики, физики плазмы и теплообмена для измерения давления, плотности и температуры газов. В эту цифру, мы представляем анализ пламени свечи или выходное изображение может контролироваться.

В полосах волновода основная полоска слоя замкнута между облицовочными слоями. В простейшем случае-это прямоугольный волновод, который образуется, когда руководящий слой плиты волновода ограничен в обоих поперечных направлениях, а не только один. Прямоугольные волноводы используются в интегральных оптических схемах [6] и лазерных диодах. [7] Они широко используются в качестве основы для таких оптических компонентов, как Маха-цендера [8] и wavelength division multiplexer. [9] В полостях лазерных диодов они часто построены в виде прямоугольных оптических волноводов. Оптические волноводы с прямоугольной геометрией производятся различными средствами, как правило, по планарной технологии.

Распределение полей в прямоугольном волноводе не может быть решено аналитически, однако приближенное решение методов, таких как метод Marcatili и Кумар метод,известны.

Ребра волноводов

Ребро волновод — волновод, в котором руководящий слой в основном состоит из плиты из полосы (или нескольких полос), которые накладываются на него. Ребра волноводов также предоставляют заключение волны в двух измерениях.

Сегментированные волноводы и фотоннокристаллические волноводы

Оптические волноводы, как правило поддерживаются с постоянным поперечным сечением вдоль направления их распространения. Это, например, для прокладки и нервюры волноводов. Однако, волноводы также могут иметь периодические изменения их поперечного сечения, при этом позволяя без потерь передачу света через так называемые блок режимы. Такие волноводы называют сегментированными волноводами (с 1D постукивать вдоль направления распространения) или как в фотоннокристаллических волноводах (с 2D или 3D рисунок)).

Волоконная оптика на базе прозрачных стекол и пластмасс

• Не путать со Cтекловолокном

Жоре́с Ива́нович Алфёров — выдающийся советский и российский физик, единственный ныне здравствующий — из проживающих в России — российский лауреат Нобелевской премии по физике.

.

Волновод (оптика). Связка оптических светопроводящих волокон из кварцевого стекла с защитными оболочками. Если использовать передовые технологии, например, как мультиплексирование, WDM [1], можно получить пропускную способность, которая позволила бы передать необходимую мировую информацию (около 100 терабит в секунду), всего в одном оптическом волокне.

Рис.1. Распространение света через многомодовое оптическое волокно

Рис.2.Пластиковые оптические волокна (ПММА) могут быть использованы для короткого расстояния приложений

Волновод (оптика). Монтаж волоконнооптического кабеля

Микроструктурированные оптические волокна (МкОВ), которые представляют собой искусственно создаваемые структу- ры, содержащие воздушные капилляры, располагающиеся параллельно оси волокна. Различают 2 типа МкОВ: волокна, у которых сердцевина за- полнена стеклом (так называемые «дырчатые» волокна – HF – holey fibers), и волокна с воздушной сердцевиной (так называемые волокна с запрещен- ной фотонной зоной – PBGF – photonic band gap fibers).

Оптическое волокно бывает обычно круглого сечения, диэлектрический волновод, состоящий из диэлектрического [10] материала, в окружении другого диэлектрического материала с меньшим показателем преломления n. Стекляные волоконные волноводы) в диэлектричеких оболочках чаще всего сделанные из кварцевого стекла, однако другие стеклянные материалы используются для определенных приложений, пластиковые оптические волокна могут быть использованы для короткого расстояния приложений.

Введение

Оптические волокна используются в сетях передачи данных вместо металлических проводов, т. к. сигналы проходят по ним с меньшими потерями, и они совершенно не подвержены действию внешних электромагнитных излучений; они имеют меньший вес и стоимость в эквивалентном информационном применении. Оптические волокна могут использоваться для локального освещения. Оптические волокна, собранные в пучки и упакованные в виде многоволоконных волноводов, проводящих видимые электромагнитные волны (например, световые) , могут использоваться для передачи изображения, позволяя рассматривать, фотографировать или передавать оптическое изображение с труднодоступных объектов.

Специально разработанные оптические волокна используются для применения в других целях, например оптические волокна для передачи мощного лазерного излучения, всевозможные оптоволоконные датчики и др. Оптоволоконные кабели (состоящие из определённого количества волокон в защитной оболочке) используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в проводных электронных системах связи. Такие кабели имеют меньший вес и меньшую стоимость, нежели традиционные медные.

Принцип передачи света внутри оптоволокна был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837—1901 гг.), но развитие современных оптоволокон началось в 1950-х годах, когда появились успехи в получении сверхчистого кварца, чувствительных полупроводниковых фотоприёмников и твёрдотельных полупроводниковых излучателей. Они стали использоваться в средствах связи несколько позже, в 1970-х; с этого момента технический прогресс позволил значительно увеличить диапазон применения волоконной оптики, заметно снизилась стоимость систем оптоволоконной связи и потери сигнала при его передаче.

Волоконно-оптические приборы могут быть пассивными и активными. К активным волоконно-оптическим приборам относятся лазеры, приёмники излучения, усилители и др. К пассивным волоконно-оптическим компонентам относятся изоляторы, зеркала, соединители, ответвители мультиплексоры, демультиплексоры и др.

Основой волоконно-оптического прибора является его оптическая схема — набор волоконно-оптических компонентов, соединенных в определённой последовательности. Оптические схемы могут быть замкнутые или разомкнутые, с обратной связью или без нее.

Профили волоконных световодов

Основные профили оптического волокна:

• - треугольный профиль,
• - параболический профиль,
• - ступенчатый профиль.

В последнем случае, при ступенчатом профиле, показатель преломления в стекле сердцевины остаётся постоянным, для остальных случаев, показатель преломления постепенно увеличивается от величины n2 для стекла оболочки, до величины n1 у оси волоконного световода. Последние называют градиентными профилями распределения показателя преломления.

Классификация

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 достигается передача по волокну лишь одной моды излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

1. одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (SMF или SM, англ. step index single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи;
2. одномодовое волокно со смещённой дисперсией (DSF или DS, англ. dispersion shifted single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание;
3. одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF, NZDS или NZ, англ. non-zero dispersion shifted single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62.5 микрон 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 т. д.

Полимерные (пластиковые) волокна производят диаметром 50, 62.5, 120 и 980 микрометров и оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.

Многомодовые волокна

Рис.2, многомодовое оптическое волокно - G 50/125мкм

Многомодовое волокно — волокно с большим диаметром сердцевины по которой проходит свет (см. рис.1, 2). Такое название объясняется спецификой прохождения электромагнитной волны по сердечнику волокна (см. ниже). В стандартном многомодовом волокне со ступенчатым профилем преломления, лучи света распространяются по сердцевине волокна благодаря эффекту полного внутреннего отражения. При этом, лучи света встречающие границу (торец оптического волокна) под острым углом (измеренным относительно осевой линии), входя во внутрь волокна, полностью отражаются, двигаясь в сердцевине волокна. Критический угол (максимальный угол для полного внутреннего отражения) определяется средой преломления между материалами оболочки и сердцевины волокна. Лучи, которые сталкиваются с границей под углом большим, чем критический, преломляются, проходя из сердцевины в оболочку, и не передают свет, т. е. информацию вдоль волокна. Критический угол равен максимальному углу входящего в волокно излучения и зависит от величины диаметра сердцевины волокна. Высокая числовая апертура (диаметр сердцевины) вынуждают свет проходящий под различными углами, подвергаться эффекту дисперсии, при этом происходит существенное наложение лучей света в сердцевине. Большой диаметр сердцевины увеличивает дисперсию, поскольку лучи под различными углами имеют различные длины траекторий и поэтому затрачивают различное время на прохождение всей длины волокна.

МОВ состоят из сердцевины и оболочки. Снаружи волокна имеют до нескольких защитных буферных покрытий (оболочек).

Структура стандартного многомодового оптического волокна G 50/125 мкм:

1. диаметр светопроводящего ядра 50 ± 3 мкм;
2. внешний диаметр оптического волокна 125 ± 2 мкм;
3. внешний диаметр первичной защитной оболочки 250 ± 10 мкм;
4. внешний диаметр вторичной защитной оболочки 900 ± 10 мкм

Многомодовые волокна со ступенчатым профилем Первые волокна для передачи данных были многомодовыми со ступенчатым профилем показателя преломления. Для распространения света благодаря полному внутреннему отражению, необходимо иметь показатель преломления стекла сердцевины n₁, немного большим, чем показатель преломления стекла оболочки n₂. На границе раздела двух стеклянных сред должно выполняться условие: n₁ > n₂. Если показатель преломления сердцевины оптического волокна n₁ одинаков по всему поперечному сечению, то тогда говорят, что волокно имеет ступенчатый профиль. Такой волоконный световод является многомодовым. Импульс света, распространяющийся в нем, состоит из многих составляющих, направляемых в отдельных модах световода. Каждая из этих мод возбуждается на входе волокна под своим определённым углом ввода в световод и направляется по нему вдоль сердцевины, проходя с различным траекториями движения луча. Каждая мода проходит разное расстояние оптического пути и поэтому проходит всю длину световода за разное время. При этом, если мы подадим на вход световода короткий (прямоугольный) импульс света, то на выходе многомодового световода получим «размытый» по времени импульс. Эти искажения, обусловленные дисперсией времени задержки отдельных мод, называются модовой дисперсией.

Многомодовые волокна с градиентным профилем

В многомодовом оптическом волокне со ступенчатом профилем, моды распространяются по оптическим путям разной длинны и поэтому приходят к концу световода в разное время. Эта дисперсия может быть значительно уменьшена, если показатель преломления стекла сердцевины уменьшается параболически от максимальной величины n₁ у оси световода, до величины показателя преломления n₂ на поверхности границы раздела с оболочкой. Оптический волновод с таким профилем, (когда показатель преломления плавно изменяется) называется градиентным волоконным световодом. Лучи света проходят по такому волокну по волно- или винтообразным спиралям. Чем дальше отклоняется луч света от оси световода, тем сильнее он заворачивается обратно к оси. При этом, так как показатель преломления от оси к краю сердцевины уменьшается, то увеличивается скорость распространения света в среде. Благодаря этому более «длинные» оптические пути компенсируются меньшим временем прохождения. В результате различие временных задержек различных лучей почти полностью исчезает.

Одномодовые волокна

Рис.1,Структура стандартного одномодового волокна

Рис.2,Одномодовое оптическое волокно E 9,5/125 мкм

Одномодовое волокно — волокно, основной диаметр сердцевины которого, приблизительно в десять раз больше длины волны, проходящего по нему света.

Структура стандартного одномодового оптического волокна E 9,5/125 (см. рис.1, рис.2):

1. диаметр светопроводящего ядра 9,5 ± 0,5 мкм;
2. внешний диаметр оптического волокна 125 ± 2 мкм;
3. внешний диаметр первичной защитной оболочки 250 ± 10 мкм;
4. внешний диаметр вторичной защитной оболочки (если есть) 900 мкм.

Волокно со ступенчатым профилем

Модовая дисперсия в оптическом волокне может быть исключена, если структурные параметры ступенчатого световода подобрать таким образом, что в нём будет направляться только одна мода, а именно — фундаментальная (основная) мода. Однако и основная мода так-же уширяется во времени по мере её прохождения по такому световоду. Это явление называется хроматической дисперсией. Она является свойством материала, поэтому как правило, имеет место в любом оптическом световоде, но в диапазоне длин волн от 1200 до 1600 нм она относительно мала или отсутствует. Для изготовления ступенчатого волоконного световода с малым затуханием, который направляет только фундаментальную моду в диапазоне длин волн более 1200 нм диаметр поля моды должен быть уменьшен до 8-10 мкм. Такой ступенчатый волоконный световод называется стандартным одномодовым оптическим волокном.

Волокна с многоступенчатым профилем

Профиль показателя преломления обычного одномодового световода имеет ступенчатый профиль. Для такой структуры профиля сумма дисперсии материала в волноводной дисперсии при длине волны около 1300 нм равна нулю. Для современных устройств передачи данных по оптическому волокну, использующих длины волн 1550 нм или одновременную передачу сигналов на нескольких длинах волн, желательно иметь нулевую дисперсию и при других длинах волн. А для этого необходимо изменить волновую дисперсию и, следовательно, структуру профиля волоконного световода. Это приводит к многоступенчатому или сегментному профилям показателей преломления в волокне. Используя эти профили, можно производить волоконные световоды, у которых длина волны с нулевой дисперсией сдвинута до 1550 нм (волокно со смещённой дисперсией) или величины дисперсии очень малы во всём диапазоне волн от 1300 нм до 1550 нм (волокно со сглаженной или компенсированной дисперсией).

Принцип работы

Оптическое волокно представляет собой цилиндрический диэлектрический волновод (непроводящее волновода), который передает свет вдоль его оси, процесс полного внутреннего отражения. Волокно состоит из сердцевины , окруженный облицовочного слоя, которые выполнены из диэлектрических материалов. Ограничить оптического сигнала в ядро, показатель преломления сердечника должно быть больше, чем оболочки. Граница между ядром и облицовкой может быть либо крутым, в step-index fiber, или постепенно, в градиентного волокна.

Показатель преломления

Показатель преломле́ния вещества — величина, равная отношению фазовых скоростей света (электромагнитных волн) в вакууме и в данной среде $n =\frac{c}{v}$.

• Также о показателе преломления говорят и для любых других волн, например, звуковых, хотя в таких случаях, как последний, определение приходится модифицировать.

Т.е. показатель преломления (или преломления) является способ измерения скорости света в материале. Свет проходит быстро в вакууме, например в космическом пространстве. Скорость света в вакууме составляет около 300 000 км (186,000 миль в секунду. Показатель преломления среды рассчитывается путем деления скорости света в вакууме на скорость света в этой среде. Показатель преломления вакуума, поэтому 1, по определению. Типичное одномодовое волокно, используемое для телекоммуникаций имеет облицовки, сделанные из чистого кремнезема, с показателем 1.444 при толщине 1500 нм, и ядро легированного кремнезема с индексом вокруг 1.4475.[39] Чем больше показатель преломления, тем медленнее распространяется свет в этой среде. Из этой информации, простое эмпирическое правило состоит в том, что сигнал с помощью оптического волокна для общения будет двигаться со скоростью около 200 000 километров в секунду. Иначе говоря, сигнал будет в течение 5 миллисекунд путешествовать в волокне на расстоянии 1000 километров. Таким образом, телефонный звонок осуществляется по волокону между Сиднеем и Нью-Йорк, 16 000 км с минимальной задержкой 80 миллисекунд (примерно 1/12 секунды). Между тем, когда один абонент говорит, а другой слушает. (Волокна, в данном случае, вероятно, на длинных расстояниях будут иметь дополнительные задержки из-за коммуникационного оборудования коммутации и процесса кодирования и декодирования голоса на волокне).

Полное внутреннее отражение

Полное внутреннее отражение электромагнитных волн — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей. К тому же, коэффициент отражения при полном внутреннем отражении не зависит от длины волны.

Когда свет, распространяющийся в оптически плотной среды и угол падения (больше, чем критический угол по границе en:Total_internal_reflection#Critical_angle), свет полностью отражается. Это называется полным внутренним отражением. Этот эффект используется в оптических волокнах, чтобы ограничить свет в ядре. Свет проходит через сердцевину волокна, отскакивая назад и вперед от границы между сердцевиной и оболочкой. Потому что свет должен двигаться по границе с углом большим, чем критический угол. Только свет, который проникает в волокна в пределах определенного диапазона углов может путешествовать в волокне без утечки. Этот диапазон углов называется приемкой конуса в волокне. Размер этой приемки конуса en:Guided_ray является функцией разности показателей преломления сердцевины волокна и оболочки.

Проще говоря, существует максимальный угол отклонения от оси волокна, при котором свет может войти в волокна таким образом, что он будет распространяться, или путешествовать в сердцевине волокна. На синус этого максимального угла является числовая апертура (NA) волокна. Волокна с большим NA требуют меньше точности для сращивания и могут работать с волокнами с меньшим NA. Одномодовое волокно имеет небольшой NA.

Специальное назначение волокон

Некоторые специальные оптические волокна создаются с номера-цилиндрического сердечника и/или облицовочного слоя, как правило, с эллиптическим или прямоугольным сечением. Они включают сохранение поляризации волокна en:Polarization-maintaining_optical_fiber и волокон, предназначенных для подавления whispering gallery mode (тип волны, путешествующей по вогнутой поверхности) en:Whispering-gallery_wave распространения. Оптические волокна с сохранением поляризации — это уникальный тип волокна, который обычно используется в волоконно-оптических датчиках из-за его способности поддерживать поляризацию света, вставленных в него.

Фотонно-кристаллические волокна en:Photonic-crystal_fiber производятся с постоянной частотой индекса вариации (часто в виде цилиндрических отверстий, проходящих вдоль длины волокна). Такие волокна используют дифракционные эффекты вместо или в дополнение к ним полного внутреннего отражения, чтобы ограничить свет в сердечнике волокна. Свойства волокна могут быть адаптированы для широкого спектра приложений.

Причины ослабления сигнала

Ослабление сигнала в оптических волокнах выражается в уменьшении интенсивности светового луча (сигнала) в зависимости от расстояния при его прохождении через сердцевину волокна. Ослабление сигнала в волоконной оптике обычно измеряют в единицах dB, а ослабление сигнала в оптическом волокне в dB/km. Ослабление — важный фактор, ограничивающий передачу цифрового сигнала на большие расстояния. Основное ослабление излучения в оптических системах вызвано рассеиванием, поглощением и отражением в местах соединения волокна и в самом волокне.

Дихроический фильтр

Сравнения 1. непрозрачность, 2. полупрозрачность, и 3. прозрачность; позади каждой группы - звезда

Прозрачность (и полупрозрачность) — физическая характеристика оптических материалов, выражающая способность света пройти через среду; величина, обратная светопоглощению (непрозрачность). Полупрозрачность связана с светорассеиванием. Когда свет взаимодействует с материалом, характер этого взаимодействия зависят от природы света (его длины волны, частоты, энергии, и т.д.) и от природа материала. Световые волны взаимодействуют с материальными средами в процессе избирательного отражения света и/или его прохождения в материале (поглощение, рассеяние, преломление; см. Показатель преломления, Прозрачность и полупрозрачность).

Например, среды типа оптического стекла и чистой воды, позволяют большую часть лучей света, который падает на них, проводить с малой частью отражённых лучей. Такие материалы называют оптически прозрачными. Много жидкостей и водных систем практически обсолютно прозрачны. Отсутствие структурных дефектов (пустоты, трещины, и т.д.) и молекулярная структура большинства жидкостей, что самое главное, ответственна за превосходную оптическую передачу.

Материалы, которые не передют свет, называют непрозрачными. Много таких веществ имеют химический состав, который включает то, что упоминается, как центры поглощения. Часть инградиентов характеризуются их поглощением определённого диапазона частот белого света. Они поглощают определённые лучи видимого спектра, отражая другие. Частоты спектра, которые не поглощены и отражены, это лучи света, которые мы воспринимаем визуально нашими органами зрения (глазами). Это то, что создаёт мир цветов и красок. Ослабление света всех частот и длин волн происходит из-за объединенных механизмов поглощения и рассеивания.

Специальные оптические волокна

Активное волокно

Волокно, способное усиливать или генерировать сигнал определенной частоты. Это достигается введением в кварцевое волокно редкоземельных металлов в зависимости от требуемой частоты усиления. Так, иттербиевые (Yb) примеси дают усиление на длинах волн 1,06 - 1,3 мкм, а эрбиевые (Er) на длине волны 1,5 мкм. Длина волны усиления определяется физическими параметрами материала легирующей примеси (шириной энергетического перехода возбуждённых электронов с одной орбиты атома примеси на другую, с одновременным излучением фотона).

Пассивное волокно

Волокно, не обладающее свойствами усиления используется для удалённого соединения активных и пассивных волоконно-оптических компонент между собой.

Исполььзование оптического волокна согласно рекомендациям ITU-T

В настоящее время широко используются несколько основных классов оптических волокон в соответствии с рекомендациями ITU-T:

• G.651 Многомодовое 50/125 мкм с градиентным профилем показателя преломления.
• G.652 Стандартное одномодовое.
• G.653 Одномодовое со смещенной дисперсией.
• G.654 Одномодовое со смещенной длиной волны отсечки.
• G.655 Одномодовое с ненулевой смещенной дисперсией.
• G.656 Одномодовое с ненулевой дисперсией для широкополосной передачи данных.
• G.657 Одномодовое с уменьшенными потерями на малых радиусах изгиба.

ITU-T - (International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector) - Сектор стандартизации Международного союза электросвязи. Каждый класс (тип) оптических волокон может иметь различные подклассы (категории), в которых волокна могут отличаться по некоторым характеристикам.

Устройство волоконно-оптических компонентов

Зеркала и фильтры

Зеркалом называется компонент, отражающий излучение определенной частоты с определенным коэффициентом отражения. Фильтр, в свою очередь, пропускает излучение определенной частоты, как правило, в узком частотном диапазоне, а остальное излучение поглощает или рассеивает. Для изготовления зеркал и фильтров используются дифракционные решетки, нанесенные на участок сердцевины волокна. Аналог штрихов в дифракционной решётке, может выполнять ультрафиолетовая засветка, которая изменяет свойства волокна в месте облучения. Одна и та же дифракционная решетка для разных частот сигнала, может быть либо зеркалом, либо фильтром.

Объединители и разветвители

Представляют собой два параллельных волокна, лишённые оболочки и соприкасающиеся между собой. Соприкосновение и фиксация волокон достигается при высоких температурах — выше температуры плавления волокна. Таким образом, участки волокон сплавляются воедино. В зависимости от длины общего участка, в результате интерференции волн, можно получить заданный коэффициент деления входного сигнала на два выходных волокна.

Объединители и разветвители могут также строиться на элементах микрооптики, включая микролинзы и частично-прозрачные зеркала с заданным коэффициентом деления.

Известны конструкции 1980-х гг. с сошлифованными до светопроводящей сердцевины и механически соединенными волокнами. Однако наиболее распространены сплавные.

Диоды накачки

Как и в случае обычных лазеров для начала усиления и генерации необходима накачка активной среды. Для накачки активных волокон используют полупроводниковые лазерные диоды. На выходе из полупроводникового кристалла лазерный пучок коллимируют и вводят в волокно. Выбор длины волны диодов накачки обусловлен пиками поглощения активных волокон, которые приходятся на узкие диапазоны в районах 0.81 мкм, 0.98 мкм и 1.48 мкм. Для иттербиевых волокон наиболее эффективна накачка в диапазоне 0.95-0.98 мкм.

Глядя на отношение длин волн накачки и сигнала можно определить максимально возможный КПД лазеров и усилителей. Для иттербиевых волокон он будет 0.95:1.06=90 %. На практике, КПД, конечно оказывается ниже.

Материалы

Стеклянные оптические волокна делаются из чистейшего кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как фторцирконат, фторалюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления n менее 1,5.

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

Рис.2. Прохождение лазерного луча в оптическом (акриловый прут из полиметилметакрилата (ПMMA)) оптическом волноводе квадратного сечения при эффекте полного внутреннего отражения в оптической среде.

Кварцевое стекло оптических волокон

Кварц (нем. Quarz — твёрдый) — самый рапространённый минерал в земной коре, породообразующий минерал большинства магматических и метаморфических пород.

Кварцевое стекло Кварц, как химическое соединение называется диоксид кремния SiO₂ и встречается главным образом в виде кварцита, одного из компонентов песка. Кварцевое стекло — это аморфный стекловидный расплав из диоксида кремния, который является твёрдым только благодаря своей высокой вязкости. Оно не имеет точки плавления.

Горный-хрусталь SiO₂

Четырёхгранная структурная решётка кварца (SiO₂)

Кварц имеет хорошую оптическую прозрачность в широком диапазоне длин волн. В инфракрасном диапазоне спектра, особенно возле области 1,5 мкм, кварц имеет чрезвычайно низкое поглощение и низкие потери на рассеивание 0.20dB/km. Высокая прозрачность в области 1,4мкм может быть достигнута, поддержанием низкой концентрации гидроксильных групп (ОH).

Производство Сверхчистое кварцевое стекло обычно изготавливается путём осаждения SiO₂ из паровой фазы посредством окисления тетрахлорида кремния SiCl₄ с выделением газообразного хлора. Такой способ выбран потому, что SiCl₄ может быть получен в очень чистом виде путём дистилляции. SiCl₄ + O₂ ---> SiO₂ + 2Cl₂. Показатель преломления может быть «отрегулирован» путём соответствующего легирования, добавлением определённого количества оксидов во время осаждения из газовой фазы. Так при введении фтора (F) или триоксида бора (B₂O₃) можно достигнуть меньшего показателя преломления (для изготовления тела волокна), а при добавлении диоксида германия (GeO₂) или пентаксида фосфора (P₂O₅) получают более высокий показатель преломления (для изготовления сердцевины волокна).

Фториды

Фториды — класс неокисных оптических качественных стекол, полученых из фторидов различных металлов стеклянной группы ZBLAN.

Из-за их низкой вязкости, очень трудно полностью избежать кристаллизации при варке стекла. Изготовление его производится с учётом получения аморфного состояни при остывании (или сохранения формы волокна при плавлении).

Фосфаты

P₄O₁₀ подобная клетке структура — основной стандартный блок для стекла фосфата.

‎Стекло фосфата составляет класс оптических материалов, составленных из metaphosphates различных металлов. Вместо SiO₄ tetrahedra, наблюдаемый в руде силиката, стандартный блок для этого прежнего стекла - Фосфор pentoxide P₂O₅(P2O5), который кристаллизован по крайней мере в четырех различных формах. Знакомая кристаллическая решётка (см. фигуру) включает молекулы P₄O₁₀.

Включения фосфата могут быть выгодными в смеси с кварцем для оптических волокон с высокой концентрацией добавак редкоземельных ионов. Соединение стекла фторида и стекла фосфата даёт флюоресфосфорное стекло.,

Светопрозрачные керамические материалы

Прозрачные керамические материалы (ПКМ) — изделия (например, волноводы, линзы), получаемые на базе нанопорошковых светопрозрачных керамических материалов ПКМ, имеет кубическую симметрию распложения атомов, наноразмерные межкристаллитные границы. В процессе высокотемпературного прессования получают ПКМ с плотностью, близкой к плотности монокристаллов данных соединений, обладающие минимальным рассеянием — дисперсией света, высокой прозрачностью и твёрдостью с коэффициентом преломления n = 2,08!.(Коэффициент преломления линз из кремния на базе кристаллов кремния достигнут величиной n=3,4! (см.Рентгеновская оптика преломления)).

Прозрачные органические стёкла

Формула

Полиметилметакрилат или полиметилметакрилат (ПММА) или прозрачный пластик — синтетический полимер метилметакрилата — [-CH2C(CH3XCOOCH3)-]n. Плотность 1190 кг/м3, светопрозрачность > 91% (см. внизу таблицу орстекла). Растворяется в собственном мономере, ацетоне, дихлорэтане, бензоле и др. Устойчив к действию воды, водных р-ров щелочей и неорганических кислот, бензина и масел; слегка изменяет свойства под действием концентрирированной серной, азотной, хромовой и разбавленной фтористоводородной кислотт. Хорошо обрабатывается режущим инструментом, легко полируется, склеивается и сваривается.

Полиметилметакрилат (ПММА) линейный термопластичный полимер метилметакрилата. Основной технический продукт известен как органическое стекло. Полиметилметакрилат (молекулярная масса до 2․106) исключительно прозрачен, обладает высокой проницаемостью для лучей видимого и УФ-света, хорошими физико-механическими и электроизоляционными свойствами, атмосферостоек, устойчив к действию разбавленных кислот и щелочей, воды, спиртов, жиров и минеральных масел. Физиологически безвреден и стоек к биологическим средам, размягчается при температуре несколько выше 120°С и легко перерабатывается.

Применение оптического волокна

Рис.2. Прохождение лазерного луча в оптическом (акриловый прут из полиметилметакрилата (ПMMA)) волноводе квадратного сечения при эффекте полного внутреннего отражения.

Очки из оптического оргстекла

Кабина самолёта из специального оргстекла

Волоконно-оптическая связь

Прохождение лазерного луча в оптическом волноводе квадратного сечения при эффекте полного внутреннего отражения

Волоконно-оптический кабель.

Волоконно-оптическая связь — передача информации от одного места к другому, посредством импульсов света через оптическое волокно. Несущий сигнал представлен в виде электромагнитного излучения, которое модулируется полезным сигналом для дальнейшей передачи информации.

Основной характеристикой волоконно-оптической связи является полное внутренне отражение электромагнитных волн на границе раздела сред — с различными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух главных элементов — сердцевины, являющейся непосредственно проводником света — световодом и оболочки. Показатель преломления сердцевины больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света многократно переотражаясь на границе двух сред сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не выходя за её границы.

В 1970-х годах развитие оптических волоконных систем коммуникации коренным образом преобразовали телекоммуникационную промышленность и стали играть главную роль в понятии «Век Информации». Из-за преимуществ оптических сетей передачи данных перед электрической передачей сигнала, оптические волокна в значительной степени заменили медные проводные коммуникации в основных сетях.

Волоконно-оптический датчик

Волоконнооптический датчик

Волоконно-оптический датчик в виде плоской катушки оптического волокна

Оптическое волокно может быть использовано в качестве датчика для измерения напряжения, температуры, давления, влажности и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, дает оптоволоконным датчикам преимущество перед традиционными электрическими во многих областях.

Оптическое волокно используется при изготовлении гидрофонов в сейсмических и гидролокационных приборах. Системы с волоконнооптическими датчиками широко используются в нефтедобывающей промышленности. Для неё разработаны оптоволоконные датчики измеряющие температуру и давление непосредственно в нефтяных скважинах. Оптоволоконные датчики хорошо приспособленны для выполнения таких задачь, так как работают при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков (Оптоволоконное измерение температуры).

Другое применение оптоволокна — в качестве датчика в лазерном гироскопе. Аналогичный прибор используется для навигации в самолётах Boeing 767 и в некоторых моделях машин. Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного и электрического поля.

Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптоволокном.

Другие применения оптического волокна

Диск фрисби, освещённый световодом.

Использование оптического световода совместно с обьективом (эндоскопа).

В медицине

Бронхоскоп Видео

Рис. Э. Принципиальная схема эндоскопов.

Оптические световоды совместно с объективом используется в устройствах для формирования изображения. Плотный пучок тонких оптических волокон, тщательным образом объединённый с обеих сторон (световод) используется в эндоскопах, предназначенных для осмотра или фотографирования объектов через маленькое отверстие. При этом, проектируемое на торец сваренных воедино световодов изображение, разбивается на большое число фрагментов (размером равным диаметру используемых в световоде оптических волокон) и передаётся на другой конец световода. Там, эти волокна снова плотно соединяются между собой в строгом соответствии с «принимающей» изображение стороной (иначе каждый фрагмент исходного изображения будет попадать на «не своё» место).

Оптические системы эндоскопов (эндоскопов с волоконной оптикой состоят:

• из большого количества стеклянных волокон диаметром 0,01-0,02 мм! в виде пучка, по которым и передается изображение за счёт явления полного внутреннего отражения на границе раздела сред.
• из световода для освещения. (См. рис. Э).

Поэтому плотный пучок тонких оптических волокон, тщательным образом объединённый с обеих сторон передаёт рассматриваемые в полостях освещённые точки изображения диаметром 0,01 мм в пределах площади пучка волокон. В итоге на втором торце мы получим проектируемое на первый торец изображение. В настоящее время гибкие эндоскопы больших диаметров вытесняются видеоэндоскопами, которые снабжаются миниатюрными видеокамерами на дистальном конце и передают информацию в электронном виде. Такие приборы дают существенно более высокое качество изображения, чем обычные эндоскопы.

Компоненты эндоскопа: (См. рис.Э)

• Окуляр — увеличивает изображение, относя его обратно (imaging bundle), поэтому человеческий глаз может просмотреть его.
• Imaging Bundle — заложен особый кабель, (вместо кабеля из четырёх электрических проводов, каждый из которых представляет в свою очередь жилу из семи медных проволок) из семи гибких стеклянных волокон, которые передают изображение в окуляр.
• Дистальная линза — сочетание микро-линзы (реле линз [11]), которые фотографируют и сосредоточиавают фотографии в виде небольших оптических изображений на фокальной поверхности дистальной части пучка световодов (каждое волокно пучка = 0,01 мм), который передаёт изображения на окуляр.
• Система подсветки — волоконно-оптический световод как реле света от источника к целевой области (окуляр).
• Артикуляция системы — возможность пользователю контролировать движение подвижной части эндоскопа, который непосредственно прикрепляется к дистальной линзе.
• Орган управления эндоскопа — раздел управления, который предназначен, чтобы помочь помощнику — другой руке.
• Вводимая трубка — большая часть длины эндоскопа, прочная и гибкая. Это защищает оптические волокна, жгут и артикуляции кабелями.
• Подвижная часть — наиболее гибкая часть эндоскопа, она соединяет вводимую трубку в зону дистального просмотра раздела области.
• Дистальный отдел — конечные пункты, где как освещение так и визуализация fiber bundle.

В промышленности

• В промышленности полиметилметакрилат получают свободнорадикальной полимеризацией (См. полимеризация) мономера главным образом в массе (блоке) и суспензии, реже — в эмульсии и растворе. Полиметилметакрилат выпускают в основном в виде листов и гранулированных материалов, предназначенных для переработки литьём под давлением или экструзией (см. Пластмассы).
• Оптическое волокно используется при конструировании и производства волоконного лазера.

Технология изготовления оптического волокна

Рис.1,Иллюстрация изменяемого химического смещения пара в процессе

Технология получения оптического волокна — применение внутреннего смещения пара в предформе, который начинается в габаритах полой стеклянной трубы, приблизительно = 40 сантиметров, которая установлена горизонтально и вращается медленно на токарном станке. Газы, типа четырёххлористого кремния SiC14 или четырёххлористый германий GeC14 введены с кислородом в конце трубы. Газы, тогда нагреты посредством внешней водородной горелки, с нагревом газа до 1900 K (1600 °C, 3000 °F), где tetrachlorides реагируют с кислородом, чтобы произвести частицы кварца или germania (диоксид германия). Когда условия реакции выбраны (обеспечивающие реакцию в газовой фазе по всему объему трубы), в отличие от более ранних методов, где реакция происходила только на стеклянной поверхности, и данную технологию называли методом измененного химического смещениия пара.

Cозданные стандартные оптические волокна были первыми образцами предварительной формой большого диаметра, с преломляющим профилем материала, которым тщательно управляют с последующим натяжением предварительной формы, чтобы сформировать длинное, тонкое оптическое волокно. Предварительный размер обычно делается тремя химическими методами смещения пара: в смещении пара, вне смещения пара, и пара с осевым смещением.

Волоконно-оптические кабели

Элементы оптических кабелей

Бронированный волоконно оптический кабель предназначенный для внешней прокладки.

Волоконно оптический кабель предназначенный для непосредственной прокладки в грунте.

Волоконно оптический кабель состоит из:

1. центрального силового элемента (ЦСИ),
2. оптических модулей (полимерные трубки с размещёнными в них оптическими волокнами),
3. силовых элементов,
4. брони,
5. защитных оболочек,
6. внешней оболочки кабеля.

Сердечник кабеля

Для повышения механической прочности волоконно-оптических кабелей, оптические модули этого кабеля свиваются вокруг центрального силового элемента, являющегося сердцевиной кабеля. При этом центральный силовой элемент может служить как опорой для защиты от продольного изгиба, так и для защиты от нагрузок на растяжение. Благодаря скрутке световоды в оптических модулях имеют определённое пространство, в пределах которого нагрузки на растяжение, изгиб, сжатие, не выходящее за определённые рамки, не оказывают влияния на передаточные характеристики. Наряду с оптическими модулями вокруг силового элемента могут навиваться наполнители, т. е. модули без световодов или чисто полиэтиленовые элементы, а также медные жилы в виде витых пар или четвёрок. Совокупность этих скручиваемых элементов и силовых элементов, а также скрепляющей ленты или оболочки вокруг них, если таковая имеется, называется сердечником кабеля.

Скрутка

В волоконно-оптической кабельной технике в основном применяется скрутка слоями (повивами). При этом скручиваемые элементы располагаются концентрически вокруг центрального силового элемента. Если скручиваются отдельные элементы (оптические модули, медные жилы, наполнители), то в этом случае говорят о кабеле повивной скрутки. Если же сердечник кабеля свивается из модулей состоящих из скрученных элементов (жгутов), то такой кабель называется модульным кабелем или кабелем жгутовой скрутки. Существуют два типа скрутки: спиральная скрутка и SZ-скрутка (скрутка с чередованием направления скрутки).

Заполнение сердечника

Для обеспечения водонепроницаемости волоконно-оптического кабеля по его длине при попадании воды, свободное пространство между элементами сердечника заполняется специальным гидрофобным компаундом под высоким давлением. При этом компаунд должен иметь состав не оказывающий вредного влияния на характеристики элементов кабеля и иметь малый коэффициент линейного расширения.

Оболочка кабеля

Оболочка кабеля должна защищать сердечник волоконно-оптического кабеля снаружи от механических, тепловых, химических, световых воздействий, а также от влаги. Наиболее часто используют полиэтилен. Для кабелей предназначенных для внутренней прокладки, в качестве материала оболочки используют перфторэтилен-пропилен, перфторалкокси-сополимер, сополимер этилена и винилацетата. Если для кабелей с наполнителем сердечника требуется диэлектрическая оболочка, не содержащая металл, то между оболочкой кабеля и упрочняющими волокнами помещается предохранительный слой пластика из полиамидного расплавленного связующего вещества. Он предотвращает попадание компаунда из сердечника кабеля в его оболочку. Основные типы оболочек кабеля: полиэтиленовые, поливинилхлоридные, оболочки из фтористых пластмасс, оболочки из материалов не содержащие галогенов.

Защитная оболочка

Для кабелей наружной прокладки и специальных кабелей требуются полиэтиленовые или поливинилхлоридные защитные покрытия, а для особых случаев — покрытие из полиамида. Они защищают броню, нанесённую поверх оболочки кабеля, от коррозии и от внешних повреждений, например при непосредственной прокладке кабеля в грунт или протягивании по кабельной канализации.

Броня

Для защиты сердечника волоконно-оптического кабеля и его оболочки в особых случаях, как например, для прокладки под водой или в шахтах, для кабелей с защитой от грызунов, для самонесущих кабелей или для случаев, когда требуются очень высокие величины механических нагрузок на растяжение и/или сжатие, применяется дополнительная броня. Броня может быть выполнена из волокон арамида (кевлара), стальных лент, стальной проволоки, гофрированной стальной ленты и пр.

Типы конструкции кабелей

Конструкции волоконно-оптических кабелей классифицируются в соответствии с определёнными характеристиками на следующие типы:

1. кабели наружной прокладки,
2. кабели внутренней прокладки,
3. специальные кабели.

Типичные температурные диапазоны для волоконно-оптических кабелей:

• Температура транспортировки и хранения от -25°С до +70°С
• Температура монтажа от -5°С до +50°С
• Температура при эксплуатации от -20°С до +60°С

Стандартная длина поставляемых волоконно-оптических кабелей для наружной прокладки от 2000 метров до 6000 метров.

Свободно-космические соединения

Часто необходимо выровнять оптическое волокно к другому оптическому волокну, или к оптикоэлектронному устройству, типа испускающего свет диода, лазерного диода, или модулятора. Это может потрнебовать тщательного выравнивания волокна и размещения его в устройстве для контаков или может использовать линзу, чтобы позволить сцепление по воздушному промежутку. В некоторых случаях конец волокна полируется в виде сфрической формы, которая изготовлена, чтобы позволить действовать как линза.

В лабораторной окружающей среде, голый конец волокна соединен, используя систему запуска волокна, которая использует линзу цели микроскопа, чтобы сосредоточить свет вниз к пункту соединения. Стадия получения точности (микропомещающий стол) используется, чтобы переместить линзу, волокно, или устройство для обеспечения эффективности сцепления. Волокна с соединителем в конце делают этот процесс намного более простым: соединитель просто включен в предварительно подготовленный fiberoptic коллиматор, который содержит линзу, которая или точно помещена относительно волокна, или приспосабливаема. Чтобы достигать лучшей эффективности ввода в систему стыковки волокна, руководчства, положения, размера и расхождения луча, всё должно быть оптимизировано. Показатели проведеия лучей света, могут быть достигнуты в пределах от 70 % до 90%-ой эффективности сцепления.

С должным образом полируемыми singlemode волокнами, испускаемый луч имеет почти прекрасную Гауссовскую форму даже на большом расстоянии при условии, если используется хорошая линза. Линза должна быть достаточно большой, чтобы перекрыть полную числовую апертуру (диаметр) волокна, и не должна внести отклонения в луче. Используются обычно линзы Aspheric.

Плавкий предохранитель

В высоком оптическом облучении, выше 2 мегаваттов на квадратный сантиметр, когда волокно подвергнуто удару или иначе внезапно повреждено, может сработать плавкий предохранитель волокна. Отражение от повреждения выпаривает волокно немедленно перед перерывом, и этот новый дефект остается рефлексивным так, чтобы повреждение размножилось назад к передатчику в 1-3 метрах в секунду (4?11 км/ч, 2-8 миль в час). { мегаватты} Открытая система управления волокна, которая гарантирует лазерную безопасность повреждения глаза в случае сломанного волокна, может также эффективно остановить распространение плавкого предохранителя волокна. В ситуациях, типа подводных кабелей, где высокие уровни ценностей, должны использоваться предохранители, чтобы исключить без надобности в открытом контроле волокна — это тогда, когда устройство защиты плавкого предохранителя волокна в передатчике могут нарушить кругооборот, чтобы предотвратить любое повреждение.

См. также

• Стрелка волновода
• Длина волны отсечки
• Диэлектрическая постоянная
• Цифровая планарная голография
• Электромагнитное излучение
• Эрбиевый волновоный усилитель
• Равновесный режим распределения
• Дырявый режим
• Lightguide дисплей
• Среда передачи
• Волновод
• Световод прямоугольный, трубчатый
• Волновод (электромагнетизм)
• Фотонно-кристаллические волокна
• Фотонный кристалл
• Призма муфта
• Нулевой режим волновода
• http://www.idealphotonics.com/mod_product-prdlist-cap_id-104.html

Внешние ссылки

• AdvR - Рубидий легированных волноводов в калий-титанил-фосфатного (КТР)AdvR - Rubidium doped waveguides in potassium titanyl phosphate (KTP)