Вы нашли то, что искали?
Главная Разделы

Добавить страницу в закладки ->

9. Компоненты и устройства для ВОСПИ и ВОД. Физико-технологические основы волоконно-оптической техники

Физико-технологические основы волоконно-оптической техники

9. Компоненты и устройства для ВОСПИ и ВОД

9.1. Источники оптического излучения

9.1.1. Светодиоды

9.1.2. Лазерные диоды

9.2. Приемники оптического излучения

9.3. Оптические разъемы

9.4. Сварка волокон

9.5. Волоконно-оптические разветвители, ответвители и соединители

9.6. Волоконно-оптические фильтры

9.7. Системы WDM, мультиплексоры и демультиплексоры

9.8. Оптические изоляторы



9.1. Источники оптического излучения

         Наиболее распространенными источниками излучения являются полупроводниковые светодиоды (LED – Light Emisson Diod) и лазерные диоды (LD - Laser Diod). Выбор источника излучения определяется требованиями к мощности излучателя, его спектральным и модуляционным характеристикам, сроку службы и диапазону рабочих температур. Как в светодиодах, так и в лазерных диодах генерация света обусловлена рекомбинацией электронов и дырок, результатом которой является образование фотонов. В волоконной оптике используются только те из них, которые отвечают требованиям ВОСПИ: длины волн излучения должны лежать вблизи окон прозрачности кварцевых ОВ(0,85; 1,3 и 1,55 мкм), мощность излучения должна быть не менее 1 мкВт и т.д.



9.1.1. Светодиоды

Рис.9.1. Структура простейшего светодиода: 1 – активная область, 2 – металлические контакты

Светодиоды использовались, главным образом на первом этапе развития ВОСПИ. Они были достаточно надежны и дешевы, но обладали большой числовой апертурой и большой площадью излучения. Поэтому для эффективного ввода излучения в волокно светодиоды применялись для многомодовых ОВ. На рис. 9.1. приведена структура простейшего светодиода.

Фотоны образуются за счет рекомбинации электронов и дырок в так называемой активной зоне, расположенной возле р-n перехода. При пропускании тока в направлении Е электроны дырки перемещаются к границе p-n-перехода навстречу друг другу, а образовавшиеся фотоны распространяются в самых различных направлениях, показанных стрелками. Излучение светодиода носит характер ламбертовского источника света (рис. 9.2).

Рис. 9.2  Полусфера ламбертовского источника излучения (светодиод)

Принимая во внимание, что диаметр излучающей поверхности значительно меньше расстояния, на котором производят измерения, поверхностную плотность потока излучения ψ(ά), яркость L(ά), интенсивность излучения I(ά) и мощность источника излучения определяются следующими уравнениями:

ψ(α) = ψ0cosα       [Вт/м2]                           (9.1),

L(α) = ψ0×ls2×cosα /As =L0×cosα [Вт/)стерадиан*м2]            (9.2),

I(α) = ψ0×ls2×cosα = I0cosα [Вт/м2]            (9.3),

P =  [Вт]                           (9.4),

где α – угол обзора, ψ0 – плотность потока излучения на оси и ls – расстояние между источником и детектором (радиус сферы). Из данных выражений видно, что параметры светового излучения в дальней области определяются функцией косинуса.

         Процесс генерации света в светодиоде основан на рекомбинации электронов и дырок в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока с выделением фотонов, обладающих энергией , равной энергии запрещенной зоны материала полупроводника. Генерация фотонов только в активной области связана с тем, что в материалах с большой энергетической зоной генерация фотонов невозможна. Кроме того, большая запрещенная зона предотвращает поглощение фотонов (генерацию электронов и дырок) и делает встроенные слои прозачными для излучаемых волн. Центральная длина волны λ0 излучения в этом случае определяется уровнем запрещенной энергетической зоны Eg и равна:

λ0 = hc/Eg = 1.24/Eg                                             (9.5),

где h = 6,63×10-34 Дж*сек. –постоянная Планка, c = 3×108 м*сек-1, Eg – энергия запрещенной энергетической зоны материала активного слоя, выраженная в эВ. В таблице 9.1 приведены значения запрещенной энергетической зоны и длины волн излучения светодиодов с различным составом активного слоя.

Таблица 9.1. Длины волн излучения различных материалов.

Материал активного

           слоя

Запрещенная энерге-

тическая зона, эВ

Длина волны излуче-

         ния, мкм

GaP

GaAs

InP

AlGaAs

InGaAsP

           2,24

            1,42

            1,33

     1,42…1,61

      0,72…1,13

           0,55

            0,87

            0,93

        0,77…0,87

         1,1…1,67

Светодиоды подразделяются на светодиоды с поверхностным и торцевым излучением. Большинство светодиодов с поверхностным (близким к ламбертовскому) излучением, когда оно выходит из вытравленного углубления наружу и распространяется перпендикулярно плоскости p-n перехода (рис. 9.3), имеет числовую апертуру, равную приблизительно 0,9.

Рис. 9.3. Структуры коротковолнового светодиода (λ=0,85 мкм) с поверхностным излучением

Для ее уменьшения во многих случаях используется особая форма линз, доводя NA до 0,2, но даже в этом случае излучающая поверхность достаточна велика для эффективного ввода излучения в одномодовое волокно. Уровень мощности света, вводимого в волокно, в лучшем случае обычно составляет 20 мкВт для градиентного многомодового ОВ и 2 мкВт для одномодового ОВ. Лучшей эффективностью ввода излучения в волокно характеризуется 187          светодиоды с торцевым излучением (рис. 9.4), обеспечивающие ввод около 50 мкВт (30% доступной оптической мощности) в градиентное многомодовое  волокно и 20 мкВт в одномодовое ОВ. Диаметр излучающей площадки достигает 50…60 мкм.

Рис.9.4. Структура длинноволнового светодиода (λ=1,3 мкм) с торцевым излучением

Рис. 9.5. Спектры излучения светодиода, генерирующего свет с длиной волны: а) – 0,85 мкм и б) – 1,3 мкм

Спектр излучения светодиода непрерывный, причем ширина его относительно велика (рис. 9.5). Типичное значение полуширины спектра для светодиода, генерирующего свет с длиной волны 1,3 мкм, почти в 2 раза больше, чем для светодиода, генерирующего свет на λ = 0,85 мкм. Повышение температуры приводит к снижению оптической мощности на выходе (на ~ 0,8% при повышении температуры на 10С).

С точки зрения применения светодиодов в ВОСПИ они имеют рад недостатков, основными из которых являются:

сравнительно низкая полоса частот, равная 100 МГц (хотя были сообщения о полосе частот, равной 1 Ггц). Поэтому быстродействие светодиодов как минимум в 5 раз ниже по сравнению с лазерами;

широкий спектр излучения, составляющий около 60 нм, что также снижает полосу частот вследствие хроматической дисперсии;

низкая эффективность ввода излучения в оптическое волокно, даже для диодов с торцевым излучением.

Перечисленные недостатки приводят к тому, что в настоящее время светодиоды применяются в ВОСПИ с небольшой скорость передачи и используют многомодовые ОВ.



9.1.2. Лазерные диоды

         Принципиальным отличием лазерных диодов от светодиодов является наличие в них встроенного оптического резонатора и значительно большее значение тока, называемого током накачки. В лазерных диодах фотоны в основном генерируют посредством стимулированной (вынужденной) эмиссии, заключающейся в том, что фотоны, созданные в результате спонтанной эмиссии, вызывают генерацию дополнительных фотонов путем стимулирования дополнительных рекомбинаций, а те в свою очередь создают дополнительные фотоны, при этом грани кристалла представляют собой полупрозрачные зеркала, ограничивающие объем резонатора.

         Физически процесс лазерного излучения заключается в следующем. Если к р- и n-области приложить, соответственно, положительный и отрицательный полюсы источников тока, то дырки начнут инжектировать в область р, а электроны в область n, перемещаясь к активному слою, находящемуся между слоями материала, имеющего большую ширину запрещенной зоны. В результате по обе стороны активного слоя вблизи поверхности возникнут потенциальные барьеры, и находящиеся в нем почти все дырки и электроны рекомбинируют, излучая свет с длиной волны, практически соответствующей  ширине запрещенной зоны. При токе инжекции, меньшем Iп, в лазерном диоде возникает только спонтанное излучение, аналогичное излучению светодиода. Так как активная область типовых лазерных диодах (ширина, высота и длина активной зоны составляют, соответственно, 5…10 мкм, 0,1…0,2 мкм и 300 мкм,) значительно меньше, чем у светодиодов, то и выходная оптическая мощность при работе лазерного диода в условиях спонтанного излучения получается меньше, чем у светодиода (рис. 9.6.). При достижении током порогового значения (I0 ~ 50…150 мА) выходная оптическая мощность быстро растет и достигает от -5 до +20 дБм. При передаче по ОВ информации в дискретной (цифровой) форме значение рабочего тока через светодиод должно быть выбрано в интервале между точками а и d (рис. 9.6), а при передаче аналоговой информации – приблизительно в середине диапазона а-b. Значение рабочего тока для лазерного диода выбирается между точками f и e или d (рис. 9.6) при передаче информации в дискретной форме, а при передаче аналоговой информации – вблизи точки е.

Распределение интенсивности излучения лазерных диодов (рис. 9.7.) описывается функцией Гаусса, которая имеет вид:

I(r) = I0 exp [-r2 / w2 ]                                  (9.6),

где I0 –интенсивность в центре луча, w –радиус луча.

Рис. 9.6. Изменение выходной оптической мощности Р в зависимости от силы тока инжекции I для светодиода (1) и лазерного диода (2)

Рис. 9.7. Гауссовское излучение в лазере

В ВОСПИ используются различные типы лазерных диодов (или просто лазеров), которые отличаются конструкцией, длиной волны излучения, частотными характеристиками, режимом работы (одномодовый или многомодовый) и т.д. Основные требования к подобным лазерам и модулям на сегодняшний день следующие:

         динамически одночастотный режим работы;

         лазеры с фиксированными длинами волн в области 1525…1560 нм;

         спектральные интервалы между каналами должны составлять 0,4 или 0,8 нм, в то время как в 2000г. еще только планировали интервалы от 3,5 до 5 нм;

         точность расположения рабочих длин волн ~ 0,1 А;

         спектральная ширина линии менее 1 МГц;

         мощность излучения одночастотного лазера ~ 1…10 мВт;

         линейность ватт-амперной характеристики до 10 мВт;

         вывод излучения через одномодовый световод на данную длину волны;

         степень подавления боковых мод не менее 30 дБ;

         одночастотный спектр излучения в широком интервале температур и тока накачки;

         ресурс работы ~ 105 час.

         Так как длина полупроводникового лазера много больше длины волны излучения, то существует множество резонансных продольных мод. К многомодовой генерации ведут также высокочастотная прямая модуляция  (из-за изменения концентрации носителей вследствие переходных процессов) и влияние спонтанного излучения, причем спектральная ширина линии тем уже, чем меньше доля спонтанного излучения над вынужденным. Следовательно, для получения одночастотного режима генерации в широком интервале токов накачки и сужения ширины линии генерации, необходимо осуществлять селекцию мод, которая обычно реализуется за счет: внешних дифракционных решеток, изготовления лазеров с распределенной обратной связью или использования брэгговского распределенного отражателя. Дифракционная решетка представляет собой зеркало, на которое нанесены бороздки с очень малым расстоянием (периодом d) между ними.

Введение дифракционной решетки в полупроводниковый лазер обеспечивает воздействие на оптические характеристики выходного излучения, позволяя перестраивать и стабилизировать длину волны излучения путем выбора периода решетки и угла падения излучения, соотношение между которыми связано условием Брэгга:

mλ = 2 d Sinθ                                            (9.7),

где m – порядок отражения, d – период решетки, θ – угол падения излучения.

Ход лучей в полупроводниковом лазере с внешней дифракционной решеткой показан на рис. 9.8.

Рис. 9.8. Полупроводниковый лазер с внешней дифракционной решеткой

Ход лучей в полупроводниковом лазере с внешней дифракционной решеткой показан на рис. 9.8.

Варьируя период дифракционной решетки, можно обеспечить одночас-тотный режим генерации на выбранной длине волны.

Рис. 9.9. Полупроводниковые лазерные диоды: а) с распределенной обратной связью, б) с распределенным брэгговским отражателем

В лазерах с обратной связью и с брэгговским распределенным отражением обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, образуется за счет периодического изменения ПП внутри оптического волновода. В лазерах с распределенной обратной связью область усиления находится в среде с периодическим изменением ПП (рис. 9.9 а). В этом случае предпочтение будет отдано той длине волны, при которой имеет место усиливающаяся интерференция небольших отражений за счет периодического изменения ПП. В лазерах с распределенным брэгговским отражением  периодическая среда расположена на краях области усиления (рис. 9.9.б).

Период структуры должен удовлетворять условиям Брэгга (6.11):

Λ = lλ0/(2nэфф.)                                           (9.8),

где l – длина решетки.

         На рис. 9.10 приведена конструкция одночастотного полупроводникового лазера, в котором стабилизация излучения достигается за счет использования волоконной брэгговской решетки (ВБР), записанной в одномодовом ОВ.

Рис. 9.10. Схема стабилизации излучения полупроводникового лазерного диода с помощью волоконного брэгговского отражателя: 1 – лазерный диод, 2 – волоконный световод, 3 – брэгговская решетка

 В этой схеме ВБР играет роль зеркала внешнего резонатора, что обеспечивает генерацию одной продольной моды лазера, длина волны которой находится в контуре отражения решетки. На рис.9.11 приведен спектр излучения лазера без внешнего резонатора (а) и с внешним резонатором на основе ВБР (б).

Рис. 9.11. Спектр излучения лазерного диода: а) – без внешнего резонатора, б) – с внешним резонатором на основе волоконной брэгговской решетки

Меняя параметры ВБР можно изменять длину волны излучения лазеров, которые используются в системах со спектральным уплотнением каналов. Кроме того, в зависимости от параметров решетки и расстояния между ней и лазерным кристаллом возможно создание одночастотного и многочастотного режимов лазерной генерации. Так как температурная чувствительность λбр. примерно на порядок ниже, чем чувствительность длины волны лазеров, такая конфигурация позволяет в ряде применений обойтись без температурной стабилизации лазера. Описанная схема стабилизации излучения полупроводниковых лазеров применяется для создания одномодовых лазеров накачки, а также источников излучения как альтернатива лазерам с распределенной обратной связью, рассмотренных выше (рис. 9.9 а).



9.2. Приемники оптического излучения

          В ВОСПИ приемники оптического излучения (фотодетекторы) преобразуют энергию световых пучков в электрическую энергию. К фотодетектору предъявляются следующие основные требования: высокая чувствительность в рабочем диапазоне длин волн, малая инерционность, низкий уровень шума, малые габаритные размеры. Фотодиоды   выполнены на основе фоточувствительных полупроводниковых элементов, использующих явление фотопроводимости. Это явление заключается в увеличении электропроводности при возбуждении светом носителей валентной зоны и зоны проводимости полупроводника. По механизму возбуждения носителей различают собственную и несобственную фотопроводимости.

Рис. 9.12. Принцип действия PIN-диода и его диаграмма энергетических уровней: 1 – р-слой, 2 – i –сло 3 -  n-слой

Механизм собственной фотопроводимости показан на рис. 9.12. Если энергия квантов света выше ширины запрещенной зоны, то электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, увеличивая концентрацию носителей, т.е. электропроводность полупроводника. Собственная фотопроводимость проявляется только под воздействием излучения с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны вещества. При несобственной фотопроводимости электроны и дырки, захваченные локальными уровнями примесей в запрещенной зоне полупроводника, под действием света перемещаются соответственно в валентную зону и зону проводимости. Явление несобственной фотопроводимости позволяет создавать приборы, чувствительные в области инфракрасного излучения, причем, подбирая примеси, можно установить необходимую для них спектральную чувствительность.

Фотопроводимость зависит от заряда, времени жизни, подвижности и созданной светом за единицу времени концентрации носителей, причем для обеспечения высокой фотопроводимости вещества необходима высокая подвижность и продолжительное время жизни носителей. Созданные на основе эффекта фотопроводимости фоторезисторы из-за значительной инерционности в волоконной оптике практически не применяются. Лучшими характеристиками по сравнению с фоторезисторами обладают структуры полупроводников с р-n переходами той или иной топологии, так называемые PIN и лавинные фотодиоды (APD) и фототранзисторы.

На сегодняшний день PIN-фотодиод, в дальнейшем PIN диод, является наиболее распространенным типом детектора оптического излучения, что объясняется простотой его производства, достаточно высокой температурной и временной стабильностью и широкой полосой рабочих частот. Основным отличием данного типа диодов от обычных диодов с p-n переходами является наличие между сильнолегированными p+ и n+ слоями полупроводника так называемого i-слоя, который представляет собой слаболегированный полупроводник n-типа шириной до 2…3,5 мкм (рис.9.12). Ввиду отсутствия в i-слое свободных носителей его иногда называют обедненным слоем. Так как сильное легирование слоев увеличивает проводи мость этих слоев, внешняя разность потенциалов, приложенная к р+  и n+ слоям, создает в i-слое градиент электрического поля. При подаче на p-i-n структуру напряжения обратной полярности из-за того, что в i-слое нет свободных носителей, данный слой поляризуется, и через нагрузку протекает постоянный ток Iт малого уровня, который носит название темнового тока. Значение этого тока определяется параметрами материала полупроводника, топологией p-i-n структуры и температурой окружающей среды. При воздействии на i-слой внешним излучением в нем образуются свободные электронно-дырочные пара, которые быстро разделяются и, ускоряясь приложенным электрическим полем, двигаются к электродам в противоположных направлениях, создавая во внешней цепи диода электрический ток Iф.

Требования высокой квантовой эффективности и высокой скорости отклика для фотодиода с p-i-n структурой в известной степени противоречивы. Чтобы получить высокую квантовую эффективность, следует увеличить ширину i-области, в которой наиболее эффективно поглощаются фотоны, а для увеличения скорости отклика, наоборот, желательно иметь узкую i-область. Спектральная чувствительность и квантовая эффективность кремниевого p-i-n-фотодиода от ширины его i-области и длины волны излучения приведены на рис. 9.13. Видно, что увеличение толщины i-области от 0,1до 3,2 мкм ведет к увеличению квантового выхода (от 10% до 65 % на λ -1,1 мкм) и чувствительности (от 0,2 до 0,55 А/вТ).

Рис. 9.13. Зависимость квантовой эффективности и чувствительности p-i-n кремниевого фотодиода с различной шириной i-области от длины волны света

Так как энергия фотона обратно пропорциональна λ, идеальный фотодиод с невысокой степенью рекомбинации, генерируя одну электронно-дырочную пару на фотон, обуславливает пропорциональную длине волны чувствительность к оптическому излучению. При верхней критической длине волны энергия фотона становится ниже энергии запрещенной зоны, вызывая тем самым падение чувствительности фотодиода. При верхней критической длине волны энергия фотона становится ниже энергии запрещенной зоны, вызывая тем самым падение чувствительности фотодиода. В таблице 9.2. приведены значения запрещенной зоны и верхней критической длины волны для материалов, наиболее часто используемых при создании фотодиодов.

Таблица 9.2. Значения запрещенной зоны и верхней критической длины волны для ряда полупроводниковых материалов.

Тип и состав материала

Ширина запрещен-

  ной зоны, эВ

Верхняя критическая

длина волны, мкм

               Si

           1,11

            1,12

          InGaAsP

            0,89

             1,4

            InGaAs

            0,77

             1,6

                Ge

            0,67

             1,4

         Наибольшей чувствительностью в области первого окна прозрачности кварцевых ОВ (~0,85 мкм) обладает Si, а для длин волн, превышающих 1 мкм, - Ge, InGaAs и InGaAsP. При этом верхняя критическая длина волны соединения InGaAsP может варьироваться в зависимости от процентного содержания его компонентов. Для лучших p-i-n-диодов квантовая эффективность составляет 65-70 %, величина отклика – до 0,6 А/Вт, стоимость их невелика. Поэтому эти фотодиоды широко используются в ВОСПИ в качестве детекторов при условии достаточной оптической мощности сигналов. Однако если оптические сигналы слабы, то порог чувствительности p-i-n-фотодиода может оказаться слишком высоким, чтобы их зарегистрировать.

Решением этой задачи явилось создание фотодиода нового типа, а именно лавинного фотодиода (ЛФД), в котором происходит размножение носителей тока путем ударной ионизации при поглощении фотона. Структура лавинного фотодиода и схема процесса размножения в нем электронно-дырочных пар приведена на рис. 9.14. Основное отличие лавинных фотодиодов от рассмотренных PIN диодов заключается в наличие дополнительного р-слоя. При этом создается структура p+-i-p-n+ с таким профилем распределения легирующих примесей, при котором наибольшая напряженность электрического поля имеет место в р-слое, обеспечивая тем самым наименьшую проводимость этого слоя. По этой причине обратное смещение в лавинных фотодиодах столь велико, что обедненный слой увеличивается до размеров i-слоя не снижая, а даже увеличивая напряженность электрического поля. В связи с этим электронно-дырочные пары, создаваемые светом, разделяются и ускоряются этим полем в обедненном слое, получая энергию, достаточную для ионизации атомов кристалла. Сталкиваясь с нейтральными атомами, носители вызывают возрастающее в геометрической прогрессии возникновение электронов и дырок, так называемый лавинный эффект.

Рис. 9.14. Структура лавинного фотодиода (а) и схема процесса размножения в нем электронно-дырочных пар (б)

При воздействии света на i-слой, создаваемые электронно-дырочные пары из-за имеющегося электрического поля разделяются и движутся к соответствующим полюсам, попадая предварительно в р-слой. Учитывая, что электрическое поле в данном слое намного выше, их ускорение возрастает, позволяя накопить такую энергию, которая становится достаточной для возбуждения (генерирования) дополнительных электронов и перехода их из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название умножения первичного фототока.

Рис. 9.15. Структура кремниевых PIN-диода (а) и лавинного фотодиода (б):

1 – металлическое кольцо, 2 – pn-переход, 3 – умножающий слой, 4 - защитное покрытие SiO2, 5 – антиотражающее покрытие Si3N4

Для примера на рис. 9.15 приведены структуры кремневого PIN-диода и лавинного фотодиода. В последнем случае высоколегированные слои n+ и p+ представляют собой контактные области, а р-зона с почти собственной проводимостью формирует поглощающий слой. Зону усиления определяет пик электрического поля на стыке n+/р слоев, а защитные кольца предотвращают боковую утечку зарядов. Верхний слой из нитрида кремния (Si3N4), также как и в PIN диодах, служит антиотражательным покрытием.

Зависимость чувствительности лавинных фотодиодов, выполненных из различных материалов, от длины волны имеет характер, аналогичный PIN диодам, поэтому кремниевые APD целесообразно использовать для всех длин волн ниже 900 нм, а германиевые или InGaAs следует использовать при 1300 и 1550 нм.

         Основными характеристиками оптических приемных модулей, в состав которых входят фотодиоды, являются: рабочая длина волны (нм или мкм), диапазон скоростей передачи (Мбит/с или Гбит/с), пороговая мощность принимаемого сигнала (дБм), динамический диапазон принимаемых оптических мощностей (дБ).



9.3. Оптические разъемы

На рис. 9.16 приведена схема ретрансляционного участка ВОСПИ, которая показывает, что волокна с излучателем и фотоприемником соединяются с помощью оптических разъемов, а между самими волокнами имеет место сварное соединение. Оптические разъемы (их часто называют коннекторами (connectors)) обеспечивают многократные (~500…1000) соединения/разъединения волокон. Существует большое количество специализированных разъемов в двух типоразмерах: стандартном и миниатюрном. Наиболее распространены три типа стандартных разъемов: FC, ST, SC и шесть типов миниатюрных разъемов: MT-RJ, LC, VF-45, LX-5, Opti-Jack,SCDC-SCQC.

Рис. 9.16. Схема распределения потерь в ретрансляционном участке линии: 1- излучатель, 2 – разъемное соединение, 3 – оптический кабель (строительная длина), 4 – сварное соединение волокон, 5 - фотоприемник

         Наиболее высокие требования к качеству разъемов предъявляются при соединении одномодовых волокон, где в основном используют вышеуказанные стандартные разъемы. Разъемы типа FC ориентированы на применение в линиях дальней связи и в сетях кабельного телевидения. Это единственный тип разъемов, рекомендованный для применения на подвижных объектах, т.к. он лучше других выдерживает вибрацию и удары.

         Основным недостатком FС разъемов (fiber connetor) является то, что он обеспечивает меньшую плотность монтажа, чем разъемы ST и SC. Для закрепления разъема FC в розетке необходимо закрутить накидную металлическую гайку с резьбой. В то же время разъем типа ST крепится к розетке с помощью байонетной гайки, а разъем SС еще проще - с помощью пластмассовой защелки. Однако разъемы типа SF и SC обладают менее жесткой конструкцией, чем разъем  FC и рекомендованы только для стационарных объектов. Максимальную же плотность монтажа (почти в 2 раза большую) обеспечивают миниатюрные разъемы, среди которых на сегодняшний день наиболее популярны разъемы MT-RJ и LC. Они применяются преимущественно с многомодовыми волокнами в локальных вычислительных сетях, где особенно велика потребность в увеличении плотности монтажа.

         Рассмотрим более подробно конструкцию разъема FC, в которой содержатся все принципиально важные решения, используемые в разъемах другого типа. Конструктивно разъемный соединитель представляет собой два разъема и соединительную втулку. Оптические волокна вклеены в керамические наконечники разъемов диаметром 2,5 мм (в миниатюрных  разъемах диаметр наконечника 1,25 мм). Разъемы центрируются во втулке с помощью плавающего центратора в виде разрезной втулки из керамики для одномодового волокна или из бронзы для многомодового волокна. Наконечники прижимаются друг к другу в центраторе с помощью пружин и, таким образом, место соединения волокон механически развязано относительно корпуса втулки. Фиксация разъемов во втулке может быть резъбовой (FC), байонетной (ST) и замковой (SC).

Рис. 9.17. Схема образования оптического контакта в месте соединения наконечников в разъемах  PC (а) и APC (б): 1 – керамический наконечник, 2 - втулка

Торцевые поверхности волокон в оптических разъемах имеют сферическую форму с радиусом закругления 10…25 мм для РС разъемов (PС- Physical Contact) и 5…12 мм для APC разъемов (APC – Angled Physical Contact). В соединенном состоянии торцы стыкуемых наконечников прижимаются друг к другу с определенным усилием (обычно 8÷12 Н). Возникающая при этом эластичная деформация наконечников приводит к появлению оптического контакта (рис. 9.17).

Две поверхности считаются находящимися в оптическом контакте, если расстояние между ними намного меньше длины волны света. При этом чем меньше расстояние между этими поверхностями, тем меньше будет и величина отраженного от них света. Качество оптического контакта определяется качеством шлифовки и последующей полировки торцевой поверхности волокна. Для РС разъемов величина коэффициента френелевского отражения от места оптического контакта менее –35 дБ, а стандартная шлифовка обычно обеспечивает – 40 дБ. Если требуется коэффициент отражения менее – 55 дБ. то используют АРС разъемы, в которых нормаль к контактной поверхности наклонена к оси наконечника под углом 80 (рис. 9.17 б). В такой конструкции типичное значение коэффициента отражения -70…-80 дБ.

Причины возникновения потерь в разъемных соединениях таковы:

радиальная несогласованность стыкуемых волокон, когда их оси расположены параллельно друг другу на расстоянии L. Несовпадение осей одномодовых волокон в один микрон приводит к увеличению затухания примерно на 0,3 дБ, а при 2 микронах затухание увеличивается уже на 2 дБ и более;

угловая несогласованность осей волокна, характеризуемая величиной угла θ между осями световодов, при этом уменьшение числовой апертуры ОВ (переход от многомодовых волокон к одномодовым) значительно увеличивает потери;

наличие зазора между торцами стыкуемых волокон. В этом случае величина потерь уменьшается с уменьшением числовой апертуры волокон;

наличие микровыступов (шероховатости) на поверхности торцов волокон;

взаимная непараллельность поверхностей торцов волокон, при этом увеличение числовой апертуры ОВ приводит к значительному росту потерь;

неодинаковая числовая апертура стыкуемых волокон. Уменьшение отношения числовой апертуры стыкуемых волокон от 1 до 0,8 приводит к увеличению потерь до 1 дБ;

разница в диаметрах сердцевины стыкуемых волокон;

возникновение интерференции света в зазоре между торцами волокон.

Основной же причиной потерь в разъемах одномодовых ОВ является смещение сердцевины соединяемых волокон относительно друг друга вследствие эксцентриситета (неконцентричности) как самих волокон, так и деталей крепления разъема. Основные виды неконцентричности в наконечнике разъема приведены на рис. 9.18. Для уменьшения потерь в разъемах может осуществляться их настройка (калибровка) с использованием образцового (эталонного) разъема. Настройка разъема осуществляется следующим образом. Вращая изготовленный наконечник вокруг продольной оси, определяют его положение относительно образцового, при котором достигается наименьший уровень вносимых потерь, после чего наконечник фиксируется в корпусе разъема. В таблице 9.3 приведены потери, вносимые при соединении разъемов.

Таблица 9.3. Средние значения потерь, вносимых при соединении разъемов.

        Параметр

Неколиброванные

         разъемы   

 Калиброванные

       разъемы

Потери при соединении с об-

разцовым разъемом, дБ

         0,20

         0,14

Потери при соединении "лю-

бой с любым", дБ

           0,3

         0,15

Рис. 9.18. Основные виды неконцентричности в наконечнике разъема:

1 – номинальный центр, 2 – отверстие в наконечнике диаметром 125±2 мкм, 3 – керамический наконечник из двуокиси циркония диаметром 2,5 мм, 4 – сердцевина волокна диаметром 8…9 мкм, 5 - волокно диаметром 125±1 мкм



9.4. Сварка волокон

Строительные длины ВОК составляют обычно 1,1; 2,2 и 5 км, а длина ретрансляционного участка может превышать сотню километров. Поэтому ВОК должны соединяться между собой. Наиболее высокое качество соединений волокон, входящих в состав ВОК, достигается при их сварке. Средние потери в сростках одномодовых ОВ составляют в настоящее время около 0,02 дБ, а прочность сростков такова, что при прикладывании к ним растягивающей нагрузки, сростки волокон чаще всего выдерживают ~ 30 H .

Процесс сварки состоит из трех этапов:

         подготовка волокон – удаление защитной оболочки, удаление загрязнений с очищенных боковых поверхностей и скола очищенных волокон;

         непосредственно процесс сварки и оценка качества (инспекция) сварного соединения;

         защита оголенного участка волокна от механического воздействия и влияния окружающей среды посредством нанесения новой защитной оболочки (например, с помощьтю термоусадочной гильзы).

Рис.9.19. Схема юстировки волокон по интенсивности прошедшего света (LID система): 1 – первое волокно, 2 – электроды, 3 – изгибный ответвитель, 4 – второе волокно, 5 - фотоприемник, 6 – источник света

Сам процесс сварки заключается в сближении волокон с предварительно подготовленными торцевыми поверхностями на заданное расстояние, центрировании осей волокон вдоль горизонтальной оси и последующем создании дугового разряда между электродами.

Создание сростков волокон с малыми потерями осложняется из-за наличия эксцентриситета между сердцевиной и кварцевой оболочкой. Если не производить коррекцию эксцентриситета, то сердцевины волокон в сростках могут быть смещены друг относительно друга на величину порядка 1 мкм, что приведет к потерям ~ 0,16 дБ на каждую сварку. Юстировка волокон в сварочных аппаратах осуществляется либо по интенсивности света, проходящего через место соединения волокон в процессе их сварки (LID-системы - local light injection and detection), либо по их изображению (PAS-cистемы - profile alignment system).

LID –система схематически проиллюстрирована на рис. 9.19. Её достоинством является то, что в ней осуществляется прямое измерение потерь в месте соединения волокон. В настоящее время эта система используется в сварочных аппаратах фирмы Siemens (Corning). Однако LID система обладает рядом существенных недостатков, например: высокими требованиями к качеству скола торцов волокон; проблемами, возникающими при вводе и выводе излучения через полимерную защитную оболочку волокна, а также через кварцевую технологическую оболочку волокна со сложным профилем ПП. Поэтому большинство производителей сварочных аппаратов предпочитает осуществлять юстировку волокон по их изображению.

Рис. 9.20. Схема юстировки волокон по сердцевине: а) схема наблюдения изображения волокон, б) схема формирования изображения сердцевины, в) изображение волокна на дисплее

Наибольшее распространение получила система PAS, которая применяется, например, в сварочных аппаратах японских компаний Furukawa s-175, Fujikura FSM-40S. В PAS-системе волокно действует как цилиндрическая линза (рис. 9.20).

Рис. 9.21. Вид основных дефектов сварных соединений волокон на экране автоматизированного сварочного аппарата

При освещении волокна сбоку пучком параллельного света формируется изображение, в котором видны границы оболочки и сердцевины и, таким образом, содержится информация об эксцентриситете соединяемых волокон. Программное обеспечение позволяет расшифровать полученное изображение, смоделировать (с учетом типа волокон) процесс их сварки и рассчитать расстояние, на которое надо предварительно развести сердцевины волокон так, чтобы силы поверхностного натяжения сместили их при сварке. В отличие от LID системы в данном случае осуществляется лишь оценка потерь в свариваемом соединении. На рис. 9.21 приведен примерный вид основных дефектов сварных соединений волокон.

Для создания высококачественного сварного соединения волокон недостаточно установить режим, соответствующий типу свариваемых волокон. Необходимо еше скорректировать мощность дуги и положение торцевых поверхностей волокон относительно центра дуги с учетом изменения параметров окружающей среды, износа электродов и разной температурной зависимостью вязкости у свариваемых волокон. В последних моделях сварочных аппаратов функция самотестирования осуществляется автоматически, что приводит к тому, что уровень потерь обычно не превышает 0,02 дБ.

         Полные потери, вносимые линией связи длиной L, складываются из потерь в строительных длинах оптического кабеля - qв×L, в сварных соединениях волокон αсв. и потерь в разъемных соединениях на концах линии - αраз. (рис. 9.16):

α (дБ) = qв×L + αсв. (N+1) + 2 αраз.                      (9.8),

где qв – погонные потери в волокне (дБ/км), N = L/Lст – число строительных длин оптических кабелей, уложенных в линию связи, Lст. – строительная длина оптического кабеля.



9.5. Волоконно-оптические разветвители, ответвители и соединители

         Одними из наиболее важных пассивных компонентов ВОСПИ являются разветвители и соединители, которые относятся к устройствам, выполняющим соответственно пространственное разделение оптического сигнала по нескольким каналам и объединение сигналов различных каналов в один канал. Среди данных устройств особое место занимает разновидность разветвителя, известного как Х-образный ответвитель и выполненного в виде направленного ответвителя имеющего два входных и два выходных развязанных между собой канала (ответвитель 2×2). Следует различать направленные и двунаправленные разветвители. В двунаправленном разветвителе каждый плюс может работать на прием, передачу или на прием и передачу сигнала одновременно, позволяя менять местами группы передающих и принимающих каналов. Наиболее распространенные конфигурации ответвителей приведены на рис. 9.22.

         Древовидный ответвитель  приведен на рис. 9.22.а и 9.22.б. Трехпортовый ответвитель (его иногда называют Т-ответвитель) позволяет разделять мощность, поступающую с передающего кабеля (порт А) на два порта (1 и 2) в соответствии с заданным коэффициентом деления мощности, обычно равным 1:1 или 1:n, где n –некая дробь. В четырехпортовом ответвителе (рис. 9.22 б) мощность от второго передающего ВОК (порт В) может быть введена в основной кабель (от порта А к порту 1), в то время как равное значение мощности отделяется (от порта 2). Примерами использования трех- и четырехпортовых ответвителей может служить ввод дополнительного излучения или вывод части излучения, дуплексная связь по многомодовому ОВ, организация подключений к локальным линиям и т. д.

Рис. 9.22. Наиболее распространенные конфигурации ответвителей: а) - трехпортовый древовидный, б) – четырехпортовый древовидный, в) – звездообразный, г) – направленный, д) и е) – многоволновые ответвители

         Звездообразный ответвитель (рис. 9.22.в) представляет собой многопортовый ответвитель, который позволяет осуществлять разделение мощности от одного из N передающих портов (от A до Z) на равные части для каждого из N принимающих портов (от 1 до N).

         Направленный ответвитель (рис. 9.22. г) представляет собой трехпортовый ответвитель, который позволяет передавать мощность в одном направлении (от порта А до порта 1), тогда как мощность той же длины волны принимается с другого направления и передается с порта 1 на порт В. В этом случае, в отличие от Т-ответвителя, потерь распределения не происходит, а имеют место только небольшие избыточные потери и вносимые потери разъема (коннектора). Вариантами использования направленных ответвителей являются оптический рефлектометр, дуплексная связь по одному волокну.

         Многоволновый ответвитель (рис. 9.22. д и е) – это ответвитель, в котором распределение мощности зависит от длины волны. Этот ответвитель с тремя портами позволяет:

  • передавать мощность в одном направлении по волокну (от порта А до порта 1), а мощность отличной длины волны принимать с другого направления – от порта 1 на порт В. В отличие от Т-ответвителя, который осуществляет разделение мощности, данный ответвитель направляет мощность определенной длины волны в определенном направлении подобно призме. При этом потерь распределения нет, а имеют место только небольшие избыточные потери и вносимые потери коннектора;
  • передавать мощность от нескольких источников с разными длинами волн на один ВОК (рис. 9.22.е).

Для примера рассмотрим принцип получения и работы ответвителя 2×2. Такие ответвители получают, когда пара волокон, уложенных параллельно друг другу, вытягивается в дуге высокочастотного разряда или в пламени кислородно-водородной горелки. При этом участки волокна, находящиеся в горячей зоне, утоньшаются и сплавляются между собой (рис. 9.23).

Рис. 9.23. Схема сварного ответвителя 2х2: 1 – конический переход, 2 – сварная зона


Рис. 9.24. Схема, показывающая изменение модового пятна в биконическом переходе: 1 – конический переход, 2 – перетяжка, 3 – сердцевина, 4 – оболочка

В сварном ответвителе каждое из волокон образует адиабатический биконический переход (рис. 9.24) Он представляет собой два пологих конических перехода, между которыми расположена перетяжка. Диаметр перетяжки изменяется при вытяжке ответвителя по экспоненциальному закону:

d = D exp (-L/2b)                                       (9.9),

где D – диаметр кварцевого волокна, L – длина вытяжки, b –ширина сварной зоны. Когда диаметр перетяжки уменьшается примерно до 7…5 мм, нормализованная частота значительно уменьшается, мода волокна перестает удерживаться сердцевиной волокна и поле выходит даже из кварцевой оболочки волокна. Так как волокна в перетяжке ответвителя сплавлены, то мощность из лучения начинает перекачиваться из одного волокна в другое.

Коэффициент пропускания (Т) ответвителя 2×2 изменяется при изменении интегрального коэффициента связи φ по гармоническому закону:

Т = Р1 / Р0 = сos2 φ                                   (9.10.).

Величина интегрального коэффициента связи экспоненциально увеличивается при увеличении длины вытяжки, что приводит к экспоненциальной зависимости периода коэффициента пропускания от длины вытяжки. На рис. 9.25 представлены зависимости коэффициента пропускания от длины волны для двух длин волн: 1,31 мкм и 1,55 мкм.

Рис. 9.25. Зависимость коэффициента пропускания (Т) сильно сплавленного симметричного ответвителя от длины вытяжки

Стрелками указаны характерные точки при остановке, в которых получаются ответвители с нужными для практических применений характеристиками. Во многих устройствах используются ответвители, которые делят мощность пополам (3 дБ - ответвитель). На длине волны 1,3 мкм 3-х децибельный ответвитель получается, если длину вытяжки остановить в точке А. В этой точке коэффициент пропускания на λ=1,3 мкм равен 50 %. Однако при этой длине вытяжки коэффициент пропускания на λ=1,55 мкм равен 37 %, т.е. на этой длине волны ответвитель уже не делит мощность пополам. Следует отметить, что коэффициент пропускания линейно зависит от длины волны, и этот факт можно использовать для определения длины вытяжки для выбранной длины волны.

         Другое важное для практики устройство получается, когда вытяжка останавливается в точке В (рис. 9.25). В этой точке коэффициент пропускания равен 100 % на λ=1,55 мкм и 0 на λ=1,3 мкм. Такие ответвители применяются в ВОСПИ со спектральным уплотнением каналов.

         В ряде систем необходимо ответвить излучение на одной длине волны, а на другой пропустить через ответвитель излучение с близкой длиной волны. Например, в эрбиевом усилителе, где накачку осуществляют на λ=1,48 мкм, а усиление происходит в области длин волн ~ 1,55 мкм. В рассматриваемой модели ответвителя необходимую для этого спектральную характеристику коэффициента пропускания, представленную на рис. 9.26, удается получить при длине вытяжки 8,35 мм.

Рис. 9.26. Зависимость коэффициента пропускания при большой длине вытяжки



9.6. Волоконно-оптические фильтры

         Оптические фильтры (или волновые селекторы) предназначены для целенаправленной передачи или отклонения оптических сигналов определенных диапазонов длин волн. В зависимости от передаваемых в окне прозрачности фильтра длин волн различают коротковолновые, длинноволновые и полосковые фильтры. Одной из наиболее перспективных технологий создания оптических фильтров является технология интерференционных покрытий, заключающаяся в многослойном напылении тонких слоев диэлектрика на стеклянные пластины, линзы или волокна. Различают также фильтры с фиксированной характеристикой и настраиваемые волоконно-оптические фильтры.

         Фильтры с фиксированной областью передачи длин волн могут осуществлять ограничение либо с одной стороны, либо с двух сторон диапазона длин волн. В последнем случае полоса пропускания составляет от 1 нм (узкая полоса пропускания) до 60 нм (широкая полоса пропускания). При этом центральная длина волны и форма полосы могут управляться очень точно в процессе нанесения  покрытия, обеспечивая резкий и хорошо определенный переход на граница полосы фильтрации.

         На рис. 9.27 показаны три способа возможной реализации волоконно-оптических фильтров, из которых лучшими характеристиками обладают те, в которых интерференционное покрытие наносится на стеклянную подложку, установленную под углом к паре волоконных коллиматоров. Коллимирующие линзы используются для того, чтобы обеспечить широкополосность фильтра в 1310 нм и 1550 нм окнах. В качестве альтернативы, хотя более трудновыполнимой, нанесение покрытия может осуществляться на поверхность коллимирующей линзы, специальной втулки или торца волокна. При этом для снижения обратного отражения сигнала в системе юстировки используются антиотражательные покрытия.

Так как односторонние фильтры характеризуются значительной полосой пропускания рабочих длин волн, они носят название широкополосных фильтров, и, как правило, используются в одноименных  WDM системах передачи. Кроме того, они могут быть использованы для изоляции сигналов оптического рефлектометра от сигналов передачи в системах активного тестирования оптических волокон.

Рис. 9.27. Интерференционные волоконно-оптические фильтры: 1 – коллимирующая линза, 2 – интерференционный фильтр, 3 – центрирующая втулка, 4 – волоконный коллиматор

Для примера в таблице 9.4. приведены параметры фиксированного оптического фильтра компании DiCon. Данный фильтр представляет собой двухчастотное устройство, которое использует коротковолновый или длинноволновый широкополосный фильтрующий элемент, обеспечивающий прохождение или подавление света в широких спектральных окнах. Для примера на рис. 9.28 приведены характеристики длинноволнового (а) и коротковолнового (б) фиксированных оптических фильтров, которые показывают, что в первом случае фильтр пропускает длины волн более 1,4 мкм, а во втором – до 1,4 мкм. Данное устройство основано на стабильных тонкопленочных фильтрующих элементах, расположенных между двумя волоконно-оптическими коллиматорами, и размещается в миниатюрном корпусе, обеспечивающем высокую стабильность к изменению условий окружающей среды. При этом следует иметь ввиду, что изоляция определяет степень, до которой нежелательные каналы ослабляются на каждом канале добавления/устранения.

Рис. 9.28. Основные характеристики длинноволнового (а) и коротковолнового (б) фиксированного оптического фильтра

Таблица 9.4. Параметры фильтра компании DiCon.

     Наименование параметра

         Значение параметра

Полоса рабочих частот фильтра, нм

     1260-1360, 1260-1570,

      1530-1570, 1610-1660

Изоляция, дБ не хуже

45

Типовые вносимые потери, дБ

0,7

Максимальные вносимые потери, дБ

1,0

Максимальный уровень обратного

отражения, дБ

-50

Тип волокна

9/125 SM-28

Рабочая температура, 0С

-20÷+75

         В отличие от широкополосных фильтров узкополосные фильтры пропускают длины волн одного диапазона, отвергая соседние. Они используются для изоляции сигнала в системах WDM и для исключения на выходе волоконно-оптических усилителей и лазеров сигналов нежелательных длин волн.

         Интерференционные фильтры могут также использоваться в качестве дешевых узкополосных настраиваемых волоконно-оптических фильтров. Выбор длины волны в таких фильтрах может осуществляться с изменением угла наклона плоскости фильтра к оси коллимирующих линз (рис. 9.29 а), его линейным перемещением (рис. 9.29 б) или вращением (рис. 9.29в). В первом случае длина волны пропускания фильтром описывается уравнением:

                                     (9.12)

где λ0 и λф – центральная длина волны при нормальном падении и при падении под углом φ, к- коэффициент.

Рис. 9. 29. Перестраиваемые интерференционные волоконно-оптические фильтры:

1 – коллимирующая линза, 2 – интерференционный фильтр

Для примера на рис. 9.30 приведены характеристики перестраиваемого фильтра, которые показывают, что в зависимости от настройки ширина полосы пропускания света может меняться от 7 до 13 мкм. При этом настойка фильтра выполняется или вручную посредством микропозиционирующего устройства, или с помощью электрического привода. Переменный фильтр с линейным перемещением, также как и с угловым перемещением, обеспечивает низкие вносимые потери (до 1,5 дБ), узкую полосу в области коротких длин волн (до 0,05 нм).

Рис. 9.30. Характеристика одного из перестраиваемых оптических фильтров компании DiCon



9.7. Системы WDM, мультиплексоры и демультиплексоры

         Пропускная способность первых ВОСПИ в конце 70-х годов состав-ляла ~ 8 Мбит/c, а в начале 90-х годов она возросла до нескольких сотен Мбит/с. В 1995 г. пропускная способно одно волокно, а к 1998 г. она увеличилась до 10 Гбит/с в пересчете не на сть составляла уже 2,5 Гбит/с на одно волокно, а на одну длину волны в связи с использованием спектрального уплотнения каналов по длинам волн (WDM – Wave Division Multiplexing), когда независимая информация стала передаваться не по индивидуальному волокну, а на собственной длине волны. В современных WDM системах емкость в одном волокне превысила 2,46 Тбит/с (тера – 1012). Принцип работы системы WDM виден из рис. 9.31.

Выделяют три основных достоинства технологии WDM:

пропускную способность транспортной сети с WDM можно наращивать, умножая число длин волн N, передаваемых по одному волокну, на скорость передачи линии В на одной длине волны, т.е.

С = N×B                                                    (9.12);

транспортные сети, основанные на технологии WDM, обладают большой гибкостью, так как, каждый спектральный канал можно использовать независимо для передачи различных видов трафиков (например, на одной длине волны можно передавать Internet, на другой -  SONET и т.д.). При этом можно строить различные, более сложные виртуальные сети;

Рис. 9.31. Принцип работы системы со спектральным уплотнением по длинам волн (WDM): 1 – источник информации, 2 – лазерный диод, 3 – мультиплексор, 4 - оптический усилитель мощности, 5 – линейные оптические усилители, 6 – оптический предусилитель, 7 – демультиплексор, 8 – фильтр, 9 – фотодиод, 10 – приемник информации

         сигналы, передаваемые по одному волокну, во всех спектральных каналах можно усиливать с помощью одного оптического усилителя. Этим оптические усилители выгодно отличаются от ретрансляторов, где для каждого спектрального канала необходимо использовать отдельный электрический усилитель.

         В зависимости от интервала частот между спектральными каналами WDM системы делятся на два класса: системы плотного спектрального уплотнения (Dense-WDM (DWDM)) с числом каналов более 80 и редкого спектрального уплотнения (сoarse-WDM (CWDM)) с числом каналов менее 40. Основными устройствами системы WDM являются мультиплексоры или демультиплексоры – устройства, обеспечивающие добавление или устранение дополнительных каналов а линии связи. Схема работы мультиплексора и демультиплексора приведена на рис.9.32.

Рис. 9.32. Схема уплотнения каналов по длинам волн (WDM): 1 – мультиплексор, 2 - демультиплексор

Полосой пропускания канала называют диапазон длин волн, в котором данный порт мультиплексора имеет низкие потери и для которого определены вариации центральной длины волны используемого лазера. Дальнейшее узкополосное выделение необходимой длины волны можно с помощью оптических фильтров.



9.8. Оптические изоляторы

         В общем случае изолятор представляет собой независимое оптическое устройство, характеристики которого изменяются, если его вход и выход поменять местами, поэтому изолятор служит для передачи оптической мощности в одном направлении. Изоляторы обычно используются для того, чтобы избежать попадания отраженных оптических лучей на лазер, так как это приводит к возникновению дополнительного шума в системе передачи.

         Работа большинства оптических изоляторов основана на эффекте Фарадея. Этот эффект заключается в том, что магнитооптические материалы, помещенные в магнитное поле, способны вращать плоскость поляризации света, распространяющегося вдоль направления поля. Угол поворота плоскости поляризации (θ) определяется выражением:

θ = VHL                                                    (9.13),

где V – постоянная Верде, H – напряженность магнитного поля и L – длина пути света в материале. Постоянная Верде зависит от природы материала, температуры и длины волны света. Постоянная Верде для диамагнитной составляющей кварцевого стекла записывается следующим образом:

 (град/Тл×см)                                  (9.14),

где λр – рабочая длина волны и λ0 = 0,118 мкм.

         ОВ, сохраняющие поляризацию, по характеру ДЛП делятся на волокна с линейным ДЛП, которые можно рассматривать как распределенную фазовую пластинку, и ОВ с круговым ДЛП, наведенным путем упругого закручивания волокна вокруг своей оси, рассматриваемым как оптический вращатель. В первом случае состояние поляризации света определяется как поляризацией излучения на входе в волокно, так и ориентацией главных осей фазовой пластинки – ОВ. Если поляризация на входе линейная и ориентирована под углом 450 к главным осям, то состояние поляризации будет периодически меняться вдоль ОВ и будут наблюдаться так называемые биения между поляризационными модами с периодом (см. п. 6.1):

Lб=2π/∆β                                                   (9.15),

где ∆β = β12 – разность постоянных распространения двух ортогонально поляризационных мод. Поэтому в однородном магнитном поле угол поворота плоскости поляризации не зависит от длины волокна и эффект накопления поворота плоскости поляризации не наблюдается.

         Во втором случае при распространении по ОВ поляризованного света изменяется только азимут осей эллипса поляризации, и поэтому в однородном магнитном поле угол поворота плоскости поляризации увеличивается с ростом длины волокна в N = L / 2π×r раз при тороидальной намотке токопровода на катушку ОВ. Здесь L и r – соответственно длина и радиус намотки ОВ. В этом случае угол поворота плоскости поляризации будет определяться уравнением:

θ = 2πVHNr                                                        (9.16),

а диапазон его изменения может варьироваться выбором значений N и r.

         Таким образом, ряд объемных и волоконно-оптических элементов обладает способностью вращения плоскости поляризации распространяющейся в них световой волны. Поэтому компоненты волоконной оптики, выполненные на основе таких элементов, носят название оптических вращателей. Если обеспечить угол поворота плоскости поляризации светового луча за один проход по оптическому вращателю в прямом и обратном направлениях, равным 450, то при появлении в волокне отраженного излучения его плоскость поляризации повернется на 900. Поэтому при установке на входе и выходе вращателя поляризатора и анализатора и обеспечении угла между их плоскостями поляризации равным 450, отраженный свет на входе поляризатора будет полностью подавлен. Следовательно, оптический изолятор должен включать установленные по ходу светового луча поляризатор, элемент вращения плоскости поляризации и анализатор, главная ось которого должна составлять 450 к оси поляризатора (рис. 9.33.).

         Расчеты, выполненные по уравнению (9.14), показывают, что для рабочей длины волны 1,5 мкм и напряженности магнитного поля 500 э = 0,05 Тл длина кварцевого волокна должна составлять ~ 1, 8 м для обеспечения угла поворота плоскости поляризации на 450. Поэтому часто в оптических изоляторах в качестве магнитооптического материала используют прозрачные ферриты (например, гранатоферрит).

Рис. 9.33. Оптический изолятор: 1 – поляризатор, 2 – постоянный магнит, 3 - анализатор, 4 – магнитооптическое вещество

         Для обеспечения высокой эффективности подавления отраженных волн изолятор должен иметь минимальные вносимые потери, малую зависимость от температуры окружающей длины, высокий уровень обратных потерь и как можно более высокую изоляцию в диапазоне длин волн, определяемом его применением. Так, в источниках оптического излучения изолятор должен иметь полосу частот изоляции, соответствующую 1-2 % частоты излучения, а в волоконно-оптических усилителях - во всем диапазоне оптического сигнала. По этой причине изоляторы делятся на узкополосные и широкополосные. Для примера, в таблице 9.4 представлены основные данные изоляторов компании AFO, которые применяются в системах ВОСПИ.

Перечисленные параметры имеют следующий смысл:

Изоляция – это термин, определяющий степень, до которой ослабляются обратно отраженные сигналы.

Таблица 9.4. Основные характеристики изоляторов (В) компании AFO.

Характеристики

                             Значения

   Стандартный

  Улучшенный

Изоляция номинальная, дБ

         > 42

       > 55

Изоляция минимальная, дБ

         > 30

       > 45

Полоса длин волн, нм

            30

          60

Вносимые потери номин., дБ

            0,3

          0,4

Вносимые потери максим, дБ

            0,5

          0,6

Длина волны, нм

                       1310…1550

Диапазон раб. температур, 0С

                        -20…+60

Максимальная мощность, мВт

                             200

Длина волокна, м

                                2

Полоса длин волн – это диапазон длин волн, в котором изолятор имеет низкие потери и для которого определены параметры изолятора.

Вносимые потери – показатель потерь вставки, который измеряется для всех длин волн в области полосы пропускания канала. Обычно это значение равно потерям вставки в точке пиковой мощности плюс 0,5 дБ.

         По сравнению с вышеописанным изолятором менее эффективная, но более дешевая конструкция изолятора основана на использовании поляризатора и четвертьволновой пластины (рис. 9.34), т.к. после прохождения этих двух элементов свет приобретает круговую поляризацию.

Рис. 9.34. Изолятор на четвертьволновой пластине: 1 – оптическое волокно, 2 - четвертьволновая пластина, 3 - поляризатор

Поэтому когда свет отражается от стеклянной поверхности, он сохраняет круговую поляризацию, но с противоположным направлением вращения. Следовательно, при прохождении света через пластину в обратном направлении происходит восстановление линейной поляризации, но с ориентацией, перпендикулярной исходной. В результате на входе поляризатора мощность отраженного сигнала в идеале будет равна нулю. В отличие от изолятра на эффекте Фарадея этот изолятор является обратимым, поэтому любое изменение поляризации отраженного света может создать утечку мощности назад к источнику. Кроме того, на практике в данную систему необходимо ввести коллиматор для того, чтобы сформировать параллельный луч на входе волокна.

Физико-технологические основы волоконно-оптической техники





Добавить страницу в закладки ->
© Банк лекций Siblec.ru
Электронная техника, радиотехника и связь. Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные и гуманитарные науки.

Новосибирск, Екатеринбург, Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Чебоксары.

E-mail: formyneeds@yandex.ru