Доклад Оптоволокна
Содержание:
· История (?)
· Типы оптоволокон
· Активные оптоволокна (yb-doped)
· Применение
· Немного про лазеры
Общая информация
Оптоволокно – волновод для электромагнитного излучения, в основном в видимой части спектра и ближнем ИК.
Сферы применения
Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как флуоро-цирконат, флуоро-алюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5.
В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон (Plastic optical fibers).
Все оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, имеют диаметр 125±1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов.
Развитие
Многомодовые
Многомодовые оптоволокна оказались первыми в истории развития данной технологии. Обусловлено это наиболее простым способом производства.
Конструкция
Оптическое волокно 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. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479.
Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, испытывая многократные переотражения от границы раздела «сердцевина — оболочка».
Диаметр световодной части многомодового волокна обычно составляет 50 мкм.
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.
Применение:
Телекоммуникации, в основном
Одномодовые
Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 9 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.
Области применения одномодовых волокон
Одномодовое распространение излучения играет важную роль при решении многих задач. Например:
· В волоконных лазерах и усилителях, созданных на основе легированных редкоземельными элементами волокон одномодовое распространение излучения ‑ основа достижения высокого качества выходного луча.
· В волоконно-оптических системах связи одномодовое распространение излучения исключает проблему межмодовой дисперсии, которая (в многомодовых волокнах) приводит к возникновению многократных копий введённого сигнала в приёмнике.
· Одномодовые волокна используются для соединения различных компонентов в волоконно-оптических устройствах, таких как интерферометры. Волокна могут быть сплавлены или соединяться через разъёмы.
· В измерительных устройствах часто используется свойство одномодовых волокон иметь фиксированную пространственную форму выходного луча независимо от условий ввода излучения. Одномодовое волокно может использоваться как модовый фильтр.
· Могут быть использованы нелинейные эффекты в длинных одномодовых волокнах. Например, для усиления сигнала за счёт стимулированного рамановского рассеяния или сильного спектрального уширения (генерации суперконтинуума).
В качестве стандартного одномодового волокна, применяемого в волоконно-оптических системах связи в диапазонах длин волн 1.3 мкм или 1.5 мкм, обычно используют одномодовое оптоволокно SMF-28 фирмы «Corning» (или усовершенствованные версии SMF-28). Диаметр ядра такого волокна составляет 8.2 мкм, числовая апертура NA=0.14. Диаметр модового пятна равен ≈ 9.2 мкм на длине волны 1310 нм и ≈ 10.4 мкм на 1550 нм. Одномодовая длина волны отсечки составляет 1260 нм.
Существует три основных типа одномодовых волокон:
- Одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (англ. SMF — Step Index Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи.
- Одномодовое волокно со смещённой дисперсией (англ. DSF — 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.
- Одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (англ. NZDSF — Non-Zero Dispersion Shifted Single Mode Fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655.
Поляризационные
Виды дисперсии в оптоволокне
Межмодовая
Хроматическая
Поляризационная
Типы оптоволокон
Классификация
Активные оптоволокна
Применение
Телекоммуникации
Измерительные приборы
Гальваническая развязка
Научные исследования
Медицина
Мощные промышленные установки
Немного про лазеры
Формулы
2.2.6 Материальная дисперсия
Напомним, что материальная дисперсия – это дисперсия, обусловленная зависимостью показателя преломления от длины волны:
Волны различной длины движутся с различными скоростями по ВС, даже в одной и той же моде. Как известно, показатель преломления равен:
где c – скорость света в вакууме;
υ – скорость света в веществе.
Поскольку волны различной длины движутся с разной скоростью, то величина скорости υ в этом уравнении изменяется для каждой длины волны. Таким образом, показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны. Дисперсия, связанная с этим явлением, называется материальной (молекулярной) дисперсией, поскольку зависит от физических свойств вещества волокна. Материальная дисперсия определяется электромагнитным взаимодействием волны со связанными электронами материала среды, которое носит, как правило, нелинейный характер. Уровень материальной дисперсии зависит от двух факторов:
- диапазона длин волн света, вводимого в волокно;
- центральной рабочей длины волны источника.
Рассмотрим каждый фактор подробнее.
1. Как правило, источник не может излучать одну длину волны; он излучает спектр волн. Диапазон длин волн Δλ называется спектральной шириной источника. Светоизлучающий диод (СИД) характеризуется большей спектральной шириной Δλ ≈35нм, а лазерный диод (ЛД) – меньшей: от 2 до 3нм – многомодовый и от 0,01 до 0,02нм – одномодовый.
2. В области 850нм более длинные волны (более красные) движутся быстрее по сравнению с более короткими (более синими) длинами волн (рисунок 2.9). Длина стрелок соответствует скорости волн, следовательно, более длинная стрелка соответствует более быстрому движению. Волны длиной 850нм движутся быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 845нм.
Рисунок 2.9 – Скорости распространения света разной длины волны
В области 1550нм ситуация меняется: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными; волна длиной 1550нм движется медленнее, чем волна длиной 1540нм.
В некоторой точке спектра происходит совпадение, при этом более синие и более красные волны движутся с одной и той же скоростью. Это совпадение скоростей происходит в области 1300нм.
В выражение для материальной дисперсии одномодового волокна входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны:
где Δλ – ширина спектра источника излучения;
l – длина световода;
λ – длина волны излучения;
c – скорость света в вакууме;
n1 – показатель преломления сердцевины;
– удельная материальная дисперсия (определяется экспериментальным путём).
Удельная материальная дисперсия измеряется в пикосекундах на километр длины световода и на нанометр ширины спектра источника: [nc/(км•нм)].
Зависимость удельной материальной дисперсии от длины волны приведена на рисунке 2.10.
Рисунок 2.10 – Зависимость удельной материальной дисперсии объёмного кварцевого стекла от длины волны
Интересно отметить, что в объёмном кварцевом стекле в диапазоне длин волн 1000 – 1600нм М(λ) почти линейно уменьшается от плюс 70 до минус 40пс/(км•нм), принимая нулевое значение на длине волны примерно 1300нм, а точнее 1270нм.
Длина волны, при которой удельная материальная дисперсия М(λ) обращается в ноль, называется длиной волны нулевой дисперсии λ0Д для объёмной среды.
В области длин волн менее λ0Д материальная дисперсия положительная – более красные волны опережают более синие и прибывают раньше. В области длин волн больше λ0Д материальная дисперсия отрицательная – более красные волны отстают и прибывают позднее.
Из описанного ясно, что для уменьшения дисперсии нужно, с одной стороны, при выборе источника переходить от оптических источников типа СИД к ЛД, а. c другой стороны, необходимо переходить от источников с длинами волн порядка 850нм к источникам с длинами волн порядка 1300нм для использования эффекта нулевой дисперсии.
2.2.7 Волноводная дисперсия
Волноводная дисперсия – это дисперсия реальных световодов, отличающаяся от дисперсии объёмной среды по причине наличия волноводной структуры, изменяющей эффективный показатель преломления моды. Когда растёт длина волны, то большая часть поля заходит в оболочку и меняет показатель преломления среды. Изменяя эффективный показатель преломления среды можно менять дисперсию.
Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью эффективного показателя преломления от длины волны, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра
где Δλ – ширина спектра источника излучения;
l – длина световода;
n1 – показатель преломления сердцевины;
Δ – относительный показатель преломления;
c – скорость света в вакууме;
λ – длина волны излучения;
– удельная волноводная дисперсия.
Типичная зависимость удельной волноводной дисперсии кварцевого одномодового волокна от длины волныприведена на рисунке 2.11.
Рисунок 2.11 – Зависимость удельной волноводной дисперсии кварцевого волокна от длины волны
Как видно из рисунка 2.11, удельная волноводная дисперсия N(λ) всегда больше нуля, т. е. положительная.
Вклад волноводной дисперсии зависит от:
- радиуса сердцевины;
- разности показателей преломления сердцевины и оболочки;
- числа оболочек.
В многомодовых ОВ волноводная дисперсия относительно мала по величине.
2.2.8 Хроматическая дисперсия
Материальная и волноводная дисперсии, складываясь определённым образом (квадрат суммы, формула 2.9), формируют хроматическую дисперсию.
Хроматическая дисперсия имеет место при распространении волны как в ОМ, так и в ММ волокне, однако наиболее чётко она проявляется в ОМ волокне из-за отсутствия модовой дисперсии.
Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии определяется как
Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля (N(λ) >0), то коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным (M(λ) >0), так и отрицательным (M(λ) <0). И здесь важным является то, что при определённой длине волны (примерно 1310±10нм для ступенчатого ОМ волокна) результирующая дисперсия D(λ) обращается в ноль, обеспечивая всего лишь один канал передачи без дисперсии на этой длине волны.
Длина волны, при которой результирующая дисперсия D(λ) в волокне обращается в ноль, называется длиной волны нулевой дисперсии λ0D для волокна.
Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которого может варьироваться λ0D для данного конкретного волокна.
Действие волноводной составляющей дисперсии сдвигает длину волны нулевой дисперсии до величины λ0D =1310нм.
В настоящее время используются стандартных ОМ волокнах, опреляющей является хроматическая дисперсия, которая обуславливается различиями в показателях преломления и, следовательно, в скоростях распространения излучения с различными длинами волн. Величина этой дисперсии зависит от типа источника излучения и измеряется в [пс/(км•нм)]. Хроматическая дисперсия выбрана Международным Союзом Электросвязи (МСЭ - Т) в качестве критерия для классификации одномодовых оптических волокон. Согласно этому критерию существуют три типа одномодовых оптических волокна.
Стандартное одномодовое волокно. Это наиболее характерный тип волокна. Хроматическая дисперсия включает также волноводную дисперсию. Используется в мире с 1988 года в магистральных и зоновых волоконно-оптических системах. Параметры (потери и дисперсия) этого волокна оптимизированы на одну длину волны 1310нм (минимум хроматической дисперсии). Оно может использоваться и в диапазоне 1525–1565нм, где имеет место абсолютный минимум потерь в волокне.
Одномодовое волокно со смещённой нулевой дисперсией. Волокно называется так потому, что абсолютный минимум хроматической дисперсии путём выбора специальной формы профиля показателя преломления смещён в диапазон длин волн 1550нм абсолютного минимума потерь в волокне. Волокно оптимизировано для высокоскоростной передачи на одной длине волны и имеет ограниченные возможности для передачи на нескольких длинах волн. Это волокно использовалось при строительстве магистральных линий связи в Японии, Италии, США и других странах с 1985 года.
Одномодовое волокно со смещённой в область длин волн 1550нм ненулевой дисперсией,. Волокно оптимизировано для высокоскоростной передачи на нескольких длинах волн в третьем окне прозрачности (1550нм).
Дисперсионный параметр D такого волокна не равен нулю, но мал (| D | ≤ (0,1– 0,4 пс/(км⋅нм)) и слабо меняется вблизи нуля в указанном диапазоне волн, формируя почти плоскую дисперсионную характеристику. Волокно разработано для волоконно-оптических систем с плотным мультиплексированием по длинам волн
Профиль показателя преломления такого волокна имеет характерную форму трезубца, величина центрального зубца которого существенно больше боковых зубцов (рисунок 2.12).
Рисунок 2.12 – Профиль показателя преломления одномодового волокна со смещённой в область длин волн 1550нм ненулевой дисперсией
2.2.9 Поляризационная модовая дисперсия
Поляризационная модовая дисперсия τпол возникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды.
В одномодовом волокне в действительности может распространяться не одна мода, а две фундаментальные моды – две перпендикулярные поляризации исходного сигнала. Главная причина появления поляризационной моды является нециркулярность (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации волокна. При изготовлении волокна только строгий контроль позволяет достичь низких значений этого параметра.
В идеальном волокне, в котором отсутствует овальность, две моды распространялись бы с одной и той же скоростью (рисунок 2.13, а).
Однако, на практике, волокна имеют неидеальную геометрию, что приводит к различной скорости распространения двух поляризационных составляющих мод (рисунок 2.13, б).
а – волокно с идеальной геометрией; б – волокно с неидеальной геометрией
Рисунок 2.13 – Появление поляризационной модовой дисперсии
τпол растёт с ростом расстояния по закону:
где l – длина волокна, [км];
Т – коэффициент удельной поляризационной дисперсии.
Коэффициент Т нормируется в расчёте на 1км и имеет размерность [nс/√км].
Из-за своей небольшой величины поляризационная модовая дисперсия τпол может появляться исключительно в одномодовом волокне, причём тогда, когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения (1нм и меньше). В этом случае поляризационная модовая дисперсия становится сравнимой с хроматической модовой дисперсией.