3.4.1. Соединение источника с волокном

3.4.2. Линзовые соединения

3.4.3. Вывод излучения в атмосферу

3.4.4. Перестройка частоты излучения лазера

3.4.1. Соединение источника с волокном

С учетом различия апертур источника излучения и световода разработан ряд элементов ввода – вывода излучения. Они выполняют функцию оптического согласования угловых апертур активных элементов (светодиодов и лазеров) и световодов. Показатели преломления полупроводниковых материалов, из которых изготавливаются СИД и ППЛ, имеют размерность около 3,5 (ППЛ » 3,5), а стекловолокно – около 1,5. Еще больше проблем с выводом / вводом излучения через воздушный зазор, т.к. показатель преломления воздуха мало отличается от единицы (n_в = 1,001). Условие полного внутреннего отражения при распространении света на границе раздела сред полупроводник – воздух имеет вид (3.22) [3]:

, (3.22)

a_кр = критический угол вывода (рисунок 3.18)

Рисунок 3.18. Вывод излучения из светодиода

При этом доля излучаемой мощности составит [13]:

(3.23)

Вместе с тем лучи, достигшие поверхности раздела сред в пределах a_кр испытывают некоторое отражение на неоднородностях поверхностей (полупроводника и стекловолокна). Коэффициент, учитывающий это рассеяние, вычисляется (3.24) [13] :

(3.24)

Пример расчета эффективности вывода излучения:
n_ПП = 3,6;

a_кр = 15°;

к = 3.85 ´ 10 ^{- 2};

m = 0,68.

Эффективность вывода излучения

где Р₀ – излученная мощность в активном слое.

Эффективность составит

Для повышения эффективности ввода излучения в стекловолокно используются различные линзы, позволяющие сконцентрировать световой луч, что эквивалентно увеличению апертуры. Анализ согласования источника излучения с одномодовым волокном, проведенный методом волновой оптики, показывает [6]:

(3.25)
(3.26)

где х – боковое смещение, z – продольное смещение, r₁ и r₂ - радиусы модовых пятен волокна и лазерного луча на уровне мощности 1/е². При этом луч света сужен линзовой системой.

При жесткой стыковке излучателей и оптических волноводов используют клеевые фотополимеризуемые композиты на основе полиэфиракрилатных компаудов. Эти клеи быстро полимеризуются под действием ультрафиолетового излучения и имеют малую усадку.

3.4.2. Линзовые соединения

На рисунках 3.19 – 3.22 представлены различные линзовые соединители [6, 8], которые согласуют световоды и излучатели.

Рисунок 3.19. Согласование микролинзой

Рисунок 3.20. Согласование линзой на световоде

Рисунок 3.21. Согласование линзой на излучателе

Рисунок 3.22. Согласование градановой линзой

Приведенные на рисунках примеры линзовых соединителей (микролинз, торцевых линз, граданов) не исчерпывают все возможные способы [2, 3, 8].

3.4.3. Вывод излучения в атмосферу

В открытых (атмосферных) оптических системах связи основная сложность состоит в изменчивости атмосферной прозрачности и рефракции оптического луча. Таким образом, осуществить строгую фокусировку луча от передатчика к приемнику не представляется возможным. Для того, чтобы получить максимальную мощность в приемном устройстве, необходимо учесть не только направленные свойства источника излучения (лазера, светодиода), но и апертуру приемника, дифракционные искажения при выводе излучения в атмосферу, рефракцию и поглощение в атмосфере и согласующих устройствах.

В плоскости приемной апертуры должно формироваться изображение излучаемой мощности от передатчика. Для этого используется система расширения светового коллимированного пучка (рисунок 3.23). Это уменьшает расходимость, обусловленную дифракцией света.

Рисунок 3.23. Расширитель пучка, используемый для уменьшения его расходимости

Благодаря расширителю пучка получены угловые расходимости лазерного излучения в пределах 0,5 ¸3 ± 0,1 мрад при мощности передатчика от 10 до 45 мВт и дальности передачи от 0,5 до 5 км [80].

Для расчета максимального затухания атмосферного канала с учетом угловой расходимости излучения применимо соотношение 3.27 [114].

А_{атмос. кан.}=10lg(P_пер×D²_{прием. ант.}/P_{прием. миним}×φ²×L ²_{атмос.кан.}) (3.27)

Где P_пер – мощность на выходе передающей антенны, D_{прием.ант.} -диаметр приемной антенны, P_{прием.миним.}- минимальная мощность на входе приемной антенны, φ – угол расходимости излучения, L_{атмос.кан.} – длина атмосферного канала.

Если расходимость пучка света мала, например, не превышает 0,1 мрад, то требуемая точность наведения будет предъявлять жесткие требования к системе управления лучом и механической стабильности передатчика и приемника.

3.4.4. Перестройка частоты излучения лазера

В системах многоволновой передачи (DWDM), кроме лазеров с фиксированными частотами генерации, часто необходимы перестраиваемые лазеры. Такие лазеры необходимы для коммутации и управления оптическими потоками в оптических сетях. Также перестройка лазеров необходима для тестовых операций элементов систем DWDM. При этом важнейшей характеристикой перестройки лазера является скорость перестройки, которая должна измеряться наносекундами в одних случаях (переключение нагрузки с оптического канала на оптический канал) и в других случаях секунды, когда происходит тестирование каналов DWDM.

Широкое применение получили перестраиваемые лазеры с внешними резонаторами Фабри-Перо, дифракционными брэгговскими решетками, плоскими отражательными дифракционными решетками, встроенным управляемым воздушным резонатором и другие. В таблице 3.3 приведены примеры характеристик перестраиваемых лазеров.

Таблица 3.3. Характеристики перестраиваемых лазеров.

Подробную информацию о перестраиваемых лазерах можно найти в [36].