Файл: Оптические системы передачи (Дмитриев А.Л., 2007).pdf

23

Рис. 14. Волоконные световоды со сложными профилями показателя преломления. а – четырехслойный ВС, б - градиентный.

Воптических приборах нередко применяются однородные кварцевые световоды с пластиковой оболочкой и полимерные, полностью изготовленные из полимерных материалов, световоды. Как правило, они отличаются большой величиной числовой апертуры (0.3 – 0.5), большим диаметром сердцевины (150-200 мкм), а по параметрам дисперсии и оптических потерь значительно уступают лучшим образцам ВС.

Вволоконно-оптических гироскопах и в волоконных интерферометрах используются световоды с сохранением поляризации излучения.

Втаких одномодовых световодах необходимая оптическая анизотропия сердцевины оптоволокна достигается вследствие эффекта фотоупругости.

Различие упругих механических напряжений вдоль ортогональных направлений ( x, y ) в сечении световода создается благодаря своеобразному

расположению напрягающих оболочек в структуре ВС. Примеры поперечных сечений ВС с сохранением поляризации показаны на рис. 15.

Рис. 15. ВС с сохранением поляризации. а – с эллиптической напрягающей оболочкой, б – типа «PANDA», в – типа «галстук-бабочка».

24

Итак, волоконные световоды обычно подразделяются на одномодовые, многомодовые, градиентные, ВС с сохранением поляризации и ВС со сложным профилем показателя преломления (к ним относятся ВС с несколькими световодными жилами, ВС с некруглой сердцевиной, а также «дырчатые», микроструктурированные ВС).

5.2. Принципы технологии изготовления волоконных световодов

Требуемое значение показателя преломления сердцевины или оболочки волоконного световода обеспечивается введением в чистый плавленый кварц (двуокись кремния - SiO2 ) различных примесей – чаще всего окислов

германия, фосфора и бора. В зависимости от природы и концентрации легирующей примеси и расположения спектральных линий поглощения образовавшихся соединений, показатель преломления кварцевого стекла на заданной длине волны может увеличиваться либо уменьшаться – рис. 16.

Рис. 16. Зависимость показателя преломления кварцевого стекла от концентрации примесей (длина волны 850 нм).

Профиль показателя преломления в ВС определяется технологией изготовления волокна. Старым методом двойного тигля в 80-е годы удалось получить оптоволокно с потерями величиной 2-8 дБ/км. Световоды высшего качества получены по принципиально новой технологии, разработанной в 70-е годы. Сущность такой технологии состоит в изготовлении, на первом этапе, крупногабаритного стеклянного стержня-заготовки с требуемым радиальным распределением показателя преломления и - на втором этапе - вытяжке оптоволокна при нагревании этой заготовки выше температуры

25

плавления стекла (около 1400 С). Первое время при изготовлении заготовок практиковался метод наружного осаждения окислов металлов из газовой фазы на поверхность стержня из графита (Outside Vapor Phase Oxidation – «OVPO»). Сегодня наиболее распространен метод внутреннего осаждения из газовой фазы (Modified Chemical Vapor Deposition – «MCVD»). Сущность

MCVD-метода состоит в последовательном, по специальному алгоритму, осаждении на внутренней поверхности вращающейся и нагреваемой кварцевой трубки продуктов сгорания (окислов) различных веществ, после чего полученная таким способом пористая заготовка разогревается до температуры стеклования – образования прозрачного стекла. Оптические потери в ВС, полученных методом MCVD, достигают уровня 0.2 дБ/км на длине волны 1.55 мкм. Еще лучшие результаты, особенно в области длин волн около 1,3 мкм, получены при изготовлении заготовок в вакууме с использованием метода торцевого осаждения (Vapor Phase Axial Deposition – «VAD»). Из одной монолитной стеклянной заготовки длиной около 1 метра и диаметром 10-15 мм можно вытянуть до 50 км градиентного (или многомодового) волокна и свыше 100 км – одномодового волокна.

5.3 Оптические потери в волоконных световодах

Оптические потери в линиях связи (и в световодах) удобно исчислять в дБ/км. Если на входе линии протяженностью L мощность сигнала равна P0 ,

а на выходе P1 , потери α на 1 км длины линии равны

направляющей среды αБ , если изменение мощности излучения в оптоволокне описывать экспоненциальным законом Бугера, при этом

(здесь размерность коэффициента поглощения αБ , очевидно, км−1 ). Следует отметить, что при очень высоких плотностях мощности

оптического излучения в кварцевом световоде - более 108 Вт/ см2 , становятся заметными эффекты нелинейности, например, ВКР и ВРМБ, которые сопровождаются дополнительными оптическими потерями. При небольших уровнях мощности распространяющегося излучения основными причинами затухания излучения в ВС являются

-рассеяние Релея (рассеяние на микрочастицах с размерами d pp λ ),

-фундаментальное поглощение,

-рассеяние Ми (рассеяние на микрочастицах и неоднородностях масштаба d ff λ ),

-радиационные потери на дефектах световода и при изгибах волокна.

26

Характерными особенностями релеевского рассеяния света являются примерно равное рассеяние в прямом и обратном направлениях, линейная поляризация рассеянного в сторону излучения и сильная, пропорциональная

1/ λ4 , зависимость мощности рассеянного излучения от длины волны. Вклад релеевского рассеяния в потери оптической мощности в ВС наиболее значителен в коротковолновой, менее 0.8 мкм области спектра. Рассеяние на крупных неоднородностях (Ми) отличается вытянутой в направлении распространения падающего света угловой диаграммой и относительно слабой спектральной зависимостью мощности рассеяния.

Потери вследствие фундаментального поглощения излучения в стекле обусловлены тремя механизмами: собственным поглощением материала, поглощением на примесях (несобственным поглощением) и потерями на дефектах атомной решетки. Мощное собственное поглощение вызывается электронными переходами в ультрафиолетовой (УФ) области спектра и переходами между колебательными уровнями в инфракрасной (ИК) области спектра системы энергетических уровней молекулы кварца ( SiO2 ). Так

значительное поглощение из-за перестройки электронных орбит в SiO2 происходит в УФ-области спектра на длине волны около 0.14 мкм.

Наиболее интенсивное поглощение вследствие переходов между колебательными уровнями молекулы кварца происходит на длине волны 9.2 мкм, при этом высшие гармоники такого «осциллятора» (обертоны) расположены вблизи длин волн 3.2, 2.8 и 4.4 мкм.

Несобственное (примесное) поглощение значительно даже при очень низких концентрациях примесей, что иллюстрирует Таблица 3.

Таблица 3.

Отмеченные в таблице сильные линии поглощения молекулы гидроксила

(OH − ) являются гармониками и комбинационными частотами фундаментальной линии поглощения гидроксила на длине волны 2.73 мкм.

Типичная спектральная зависимость оптических потерь в ВС, полученном по методу MCVD, показана на рис. 17.

27

Рис. 17. Спектральная характеристика оптических потерь в кварцевом световоде, изготовленном по методике MCVD

Видно, что присутствие молекул воды (гидроксильных групп) в кварцевом стекле, приводит к значительным оптическим потерям на поглощение в области около 1.3 мкм.

При изготовлении заготовок для вытяжки оптоволокна методом торцевого

осаждения в вакууме (VAD) концентрация примеси OH − существенно уменьшается и спектральная кривая оптических потерь становится более гладкой, рис. 18.

Рис.18. Спектральная характеристика оптических потерь в кварцевом оптоволокне, изготовленном по методу VAD

28

Абсолютный минимум оптических потерь в одномодовом кварцевом световоде составляет примерно 0.125 дБ/км на длине волны 1.55 мкм. Минимальное затухание на длине волны 0.85 мкм около 2.5 дБ/км, на длине волны 1.3 мкм – около 0.35 дБ/км.

Дефекты оптоволокна – микронеоднородности плотности (следовательно, и показателя преломления) направляющей среды, трещины, свили, пузырьки, инородные частицы и т. п. обусловливают рефракцию и рассеяние излучения в волноводе. Соответствующие радиационые потери могут быть уменьшены при использовании высокочистых исходных материалов при изготовлении заготовок оптоволокна, а также эффективных современных технологий MCVD, VAD, специальных режимов вытяжки волокна и др.

Изгиб волокна приводит к нарушению условия полного внутреннего отражения на границе сердцевина-оболочка световода, в результате чего

волны, индекса направляемой моды и ее поляризации.

Сегодня исследуются и разрабатываются волоконные световоды на основе различных некварцевых стекол, например, фторидных и халькогенидных стекол, кристаллов галогенидов и ряда других материалов. В диапазоне длин волн свыше 2 мкм (например, около 6 и 8 мкм) в таких средах потери оптической мощности, вследствие фундаментального поглощения, достигают уровня 0.010 – 0.001 дБ/км. Серьезной проблемой практического применения таких сред является дороговизна исходных материалов, сложности технологии их изготовления и неизбежные радиационные потери из-за оптической неоднородности материала световода, которые могут превышать потери на поглощение.

5.4. Волновая теория распространения излучения в волоконных световодах

При описании свойств волоконных световодов используется как геометрическое (лучевое), так и волновое приближения. Более точное описание характеристик ВС дает волновая теория, рассматривающая свет как распространение различных типов электромагнитных волн в цилиндрических диэлектрических волноводах. Основные положения этой теории были установлены еще в 40-50-е годы при анализе свойств СВЧ-волноводов.