книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики.-1

Простым примером абсолютного прибора является сферический градан с распределенным показателем преломления по радиусу (линза Луненберга)

Вэтом случае неоднородная сфера собирает каждый падающий пучок параллельного света в единый фокус.

Вприборе «рыбий глаз» Максвелла отображение осуществляется преобразованием инверсии

ской поверхности. Этот градан эквивалентен по аберрациям асферической линзе.

При радиальной симметрии принципу абсолютного прибора удовлетворяет распределение обратного гиперболического косинуса

Радиальные граданы в виде цилиндрического отрезка с таким распределением n эквивалентны линзе, свободной от аберраций, фазовых и амплитудных искажений. Варьируя длину отрезка, можно менять фокусное расстояние и получать в одном элементе объектив и оборачивающую систему.

81

Оборачивающая система – оптическая система, предназначенная для поворота изображения на 180 вокруг оптической оси.

Сельфок (радиальный градан) – безоболочечный одножильный многомодовый световод, способный самостоятельно формировать и транслировать изображение. В нем все возбуждаемые моды имеют равные скорости распространения. В практически реализованных сельфоках на основе кварцевого стекла с параболическим распределением показателя преломления вида

n r n0 1 g2r2 /2

он соответствует первым двум членам разложения гиперболического секанса (5.1) в диапазоне 1,26–1,32 мкм. В диапазоне 1,26–1,32 мкм, где дисперсия стекла близка к нулю, скорость передачи информации на расстоянии 1 км составляет 13,8 Гбит·км/с. Такие сельфоки, состоящие из одного световода, способны передавать изображение как целое, с разрешающей способностью 500 линий/мм, с сохранением фазы, плоскости поляризации и малыми потерями 1 дБ/км. Длина сельфоков достигает 1 км при диаметре 100 мкм. Кроме применения для дальней оптической связи, сельфоки используют как согласующие элементы, элементы жестких эндоскопов, в медицине в качестве оптических наконечников волоконно-оптических фиброгастроскопов, а также в устройствах для оптического контроля глубоких скважин.

Технология получения сельфоков. Заданный градиент показателя преломления в граданах из стекол получают под действием потоков нейтронов ( n = 0,02). Другой путь – это различные модификации ионного обмена, когда замена в матрице стекол одних ионов на другие приводит к изменению ее плотности и, соответственно, меняется n

( n = 0,04).

Граданы из полимеров получают в результате обмена мономеров в частично заполимеризованной матрице. Для них достигнуты максимальные n = 0,1 при диаметре 100 мм.

Возможно получение граданов при направленном выращивании кристаллов с n = 0,04 диаметром до 20 мм.

Кроме конденсированных сред, возможно использование в роли граданов газовых линз, возникающих при ламинарном течении через равномерно нагретые трубы. Градиентные среды возникают под действием мощного лазерного излучения и приводятк самофокусировке света.

82

На микрооднородностях, показатели преломления которых отличаются от показателя преломления окружающей среды, происходит рассеяние света. Оптически неоднородными являются мутные среды.

5.2.МУТНЫЕ СРЕДЫ

Мутные среды – среды, в которых распространение света сопровождается значительным рассеянием, влияющим на условия распространения, вследствие чего нарушается прозрачность среды. Рассеяние света в среде происходит на оптических неоднородностях. Это установлено Л.И. Мандельштамом в 1907 г. Среда может быть мутной вследствие неоднородности структуры, наличия в ней посторонних макроскопических частиц и включений (дым, туманы, облака, коллоидные растворы). В мутных средах оптические неоднородности распределены хаотически.

Задачи рассеяния:

–определить поле, рассеянное отдельным элементом мутной среды, предполагая внешнее поле, в котором находится внешний элемент, суперпозицией облучающего поля и поля, создаваемого всеми остальными элементами тела;

–просуммировать действие всех элементов (частиц) тела.

Длина волны сравнивается с линейными величинами:

d – расстоянием между элементами (молекулами, микровключениями внутри частицы);

a – размером частиц;

l – средним расстоянием между центрами частиц в мутной среде; R – размером мутной среды.

Конкретная задача и метод ее решения определяются величинами четырех безразмерных параметров:

Параметры удовлетворяют очевидным неравенствам

x1 x2 x3 x4, x4 1, x1 1. .

Если параметр x3 1, т.е. расстояние между частицами много больше длины волны – l , то отдельные частицы среды рассеива-

83

ют свет некогерентно. Задача сводится к анализу однократного рассеяния на частице, которое зависит от размера частицы x2 1, например

песок в нефти.

Четырех параметров достаточно для классификации мутных сред в поле бесконечно плоской когерентной волны. Реальные пучки частично когерентны. Их рассеяние зависит от длины когерентности,

и возникает 5-й параметр x5 r / . Длина когерентности r 2 / , где – спектральная ширина излучаемой линии.

5.3.ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА

Интегральная оптика – раздел современной оптики, изучающий процессы генерации, распространения и преобразования света в тонкопленочных диэлектрических волноводах, а также разработку принципов и методов создания на единой подложке (интеграция оптических и оптоэлектронных устройств: лазеров, модуляторов, дефлекторов, переключателей).

Основой интегральных оптических устройств являются планарные волноводы (тонкопленочные и диффузионные).

Планарные волноводы – световоды в виде тонкой пленки толщиной h порядка длины волны , нанесенной на подложку. Диэлектрический световод изготавливают методом катодного распыления материала волновода на подложку, методом эпитаксиального наращивания из жидкой или газообразной фазы или методом ионной имплантации.

Диффузные, или градиентные волноводы отличаются плавным рас-

пределением показателей преломления по сечению. В этих волноводах нет четко выраженной границы между волноводным слоем и подложкой. Изготавливаются они диффузией каких-либо примесей в подложку.

Локализация света в волноводе обусловлена полным внутренним отражением на граничных поверхностях. Условие волноводного режима заключается в том, что показатель преломления пленки больше показателей преломления подложки и среды над волноводом. Энергия в волноводе распространяется в виде волноводных мод. Моды характеризуются определенным распределением электромагнитного поля по сечению волновода и собственными значениями волнового вектора

k 2 n*. Параметр n* n0 sin , где – угол падения луча на отра-

84

жающую среду, определяющий фазовую скорость поверхностной волны, играет роль показателя преломления для данной волны.

В диэлектрическом волноводе с заданными параметрами показателей преломления диэлектрического волновода n0 , подложки n1 , среды над волноводом n2 и толщины h волновода существует конечное число волноводных мод, определяемое дискретным рядом значений nm* m 1,2,3...M . Чем выше порядок m поверхностной волны, тем

меньше ее эффективный показатель преломления и тем сильнее она проникает из пленки в подложку.

В тонкопленочных волноводах определяющую роль играет волноводная дисперсия.

Волноводная дисперсия – это зависимость показателя преломления для данной волны от относительной толщины пленки kh. Для поверхностной волны m-го порядка существует критическая толщина пленки, критические частота и длина волны. С увеличением m на

шении критических параметров волноводный режим отсутствует. Нелинейные оптические явления в оптических микроволноводах

возникают при больших значениях напряженности электрического поля даже при небольшой мощности возбуждения. Толщина волноводной пленки порядка длины волны, поэтому плотность световой энергии в оптическом микроволноводе достигает 105–106 Вт/см2 по всей длине взаимодействия, даже от маломощных газовых лазеров 10–1–10–2 Вт.

В оптических микроволноводах фазовый синхронизм взаимодействующих мод возможен за счет волноводной дисперсии для разных мод одной поляризации. Это позволяет использовать для нелинейных взаимодействий изотропные среды с большой нелинейной восприимчивостью. Для эффективного нелинейного преобразования необходима достаточная величина интеграла перекрытия полей взаимодействующих мод. Для нелинейных преобразований применяются титан-дифффузные волноводы в ниобате лития.

Широко применяется генерация второй гармоники для передачи ИК-излучения гетеролазера в видимое излучение. Процесс генерации второй гармоники представляется как связь двух волноводных мод равных частот и значений волновых векторов с одной из мод удвоен-

85

ной частоты и значением волнового вектора. Условия синхронизма имеют вид

2 , k k k2 ,

сучетом 2 2 и k 2 n получаем важное условие для условия синхронизма

n n2 .

Для пленки ZnS толщиной 0,314 мкм, выращенной на подложке ZnO, отклонение толщины пленки h составляет всего 0,006 мкм (2 %).

5.3.1. Активные элементы интегральной оптики

Модуляторы, переключатели, сканеры используются для управления параметрами лазерной волновой моды. Это амплитуда, фаза, поляризация моды. Принцип работы этих устройств основан на изменении показателя преломления материала микроволновода под действием электрического или магнитного поля или упругой деформации. Наибольшее распространение получили электрооптические и акустооптические устройства управления светом. Они основаны на брэгговской дифракции на фазовых решетках, индуцируемых электрическим полем или акустоповерхностными волнами.

5.3.2. Технология интегральной оптики

Наиболее важным является получение волноводных слоев и формирование требуемой конфигурации планарных элементов.

Волноводные слои получаются нанесением на подложку пленок из другого материала либо увеличением показателя преломления приповерхностных слоев подложки радиационным, химическим, термическим или другим воздействием. Для нанесения пленок используют методы термического и катодного распыления. При создании монокристаллических слоев применяются различные способы эпитаксиального выращивания. Повысить показатель преломления приповерхностного слоя можно за счет ионообменной диффузии, электродиффузии, имплантации ионов. Применяются методы получения волноводов путем термодиффузии из напыленной на подложку металлической пленки.

86

Для формирования требуемой конфигурации отдельных планарных элементов и составленных из них оптических интегральных узлов применяется фотолитография. Для создания монолитных схем интегральной оптики применяют полупроводниковые соединения, монокристаллы диэлектриков. Ниобат и танталат лития широко используются для изготовления различных типов интегрально-оптических модуляторов, дефлекторов, переключателей, акустооптических устройств обработки информации.

Список литературы

1.Мaркузе Д. Оптические волноводы: пер. с англ. / под ред.

В.В. Шевченко. – М.: Мир, 1974. – 576 с.

2.Содха М.С., Гхатак А.К. Неоднородные оптические волноводы. –

М., 1980. – 108 с.

3.Оптикаграданов/В.Г.Ильин[идр.]//УФН.–1985.–Т.23.–С.106.

4.Moore D. GRIN-4: gradient index optical imaging systems // Applied Optics. – 1984. – Vol. 23. – P. 1699.

5.Marchand E.W. Gradient index optics. – N.Y.: Academic Press, 1978. – 166 с.

6.Парыгин В.Н., Балакший В.И. Оптическая обработка информа-

ции. – М., 1984.

7.Гауэр Д. Оптические системы связи. – М., 1989. – 503 с.

8.Хинрикус Х.В. Техника оптической связи. Фотоприемники. –

М., 1988.

9.Салех Б., Тейх М. Оптика и фотоника. Принципы и применения: учеб. пособие: в 2 т. – Долгопрудный: Интеллект, 2012. – Т. 1. – 784 с.

10.Игнатов А.Н. Оптоэлектроника и нанофотоника: учеб. посо-

бие. – СПб.: Лань, 2011. – 544 с.

11.Кирчанов В.С. Наноматериалы и нанотехнологии: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2016. – 241 с.

87

ГЛАВА 6. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

6.1.ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ1

Волоконно-оптические компоненты – оптические волокна, источники для оптических передатчиков, оптические усилители, детекторы для оптических приемников – являются основными элементами воло- конно-оптических систем связи.

Волоконно-оптические системы связи состоят из оптических линий и сетей. Сеть связи включает набор линий связи, соединяющих множество пользователей, распределенных по географической области.

Оптическая линия связи (двухточечное коммуникационное соединение) состоит из компактного источника света, модулируемого электрическим сигналом, оптического волокна с низкими потерями и малой дисперсией и фотоприемника, преобразующего оптический сигнал обратно в электрический (рис. 6.1). Фотоприемники были рассмотрены в гл. 3.

Рис. 6.1. Аналоговая оптическая волоконная система связи. Электрический сигнал преобразуется в оптический сигнал путем модуляции источника света. Оптический сигнал передается по волокну, проходит через усилитель к приемнику. Приемник преобразует оптический сигнал обратно в электрический [1]

Другие оптические элементы – сращивание оптических волокон, коннекторы, разветвители, коммутаторы и мультиплексоры – также необходимы для работы оптических линий и сетей. Оптические волокна с фотонно-кристаллической структурой рассмотрены в работе [4, c. 195]. Оптические потери магистрального оптического волокна в настоящее время составляют 0,2 дБ/км.

1 По материалам работ [1, 2].

88

Мультиплексор – оптическое устройство, объединяющее несколько спектральных каналов с длинами волн 1, 2,..., n в один оптиче-

ский канал (WDM – Wavelength Division Multiplexing), число спектраль-

ных каналов может достигать 40.

Демультиплексор – оптическое устройство, разъединяющее оптические каналы на спектральные.

В когерентных оптических системах связи свет используется не как носитель управляемой мощности, а как электромагнитная волна с управляемой амплитудой, фазой или частотой. Эти системы являются естественным обобщением радиочастотных и микроволновых систем связи в оптический диапазон. Они существенно увеличивают чувствительность приема сигналов, расстояние между ретрансляторами и повышают скорость передачи данных.

6.2.ВОЛНОВОДНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ И ЛАЗЕРЫ2

Оптические усилители применяются как усилители мощности, усилители на линии и предусилители. Усилители мощности повышают оптическую мощность перед закачкой ее в оптическое волокно. Усилители на линии поддерживают уровень сигнала при передаче его по волокну. Предусилители обеспечивают усиление перед фотоприемником. Мы рассмотрим оптические волоконные усилители и волоконные ВКР-усилители, как наиболее подходящие для волоконной связи.

Существует два типа оптических усилителей лазерного типа

(рис. 6.2): полупроводниковый (SOA – Semiconductor Optical Amplifier)

и волоконный эрбиевый (EDFA) или празеодимовый (PDFA – Praseodymium Doped Fiber Amplifirs).

Рис. 6.2. Оптический усилитель, основанный на принципах работы лазера [5]

2 По материалам работы [3].

89

Полупроводниковые оптические усилители

Полупроводниковые оптические усилители (ПОУ) для передачи в ближней инфракрасной области изготавливаются на основе InGaAsP, InGaAs. Они имеют малые размеры, компактны и интегрируются с другими полупроводниковыми компонентами. Источник питания – электрический ток. ПОУ применяются как нелинейно-оптические устройства и оптические переключатели, редко – в качестве усилителей на линии.

Характеристики:

–относительно высокое усиление 15 дБ;

–предел выходной мощности 5–10 дБ/м;

–широкий рабочий диапазон: 1300–1600 нм, телекоммуникационная полоса;

–работают в области 0,8; 0,9; 1,0; 1,3; 1,5 нм;

– ширина полосы усиления 50нм в частотном диапазонеv 10 ТГц при 0 1300 нм;

–используются как преобразователи длин волн;

–несколько усилителей могут объединяться в массив. Недостатки:

–высокий фактор шума;

–температурная зависимость длин волн;

–большие перекрестные потери;

–несовместимость с геометрией оптоволокна.

6.2.1. Волоконный усилитель, легированный эрбием

Полупроводниковый оптический усилитель с множественными квантовыми ямами конструируется в виде оптического волновода, работает на основной оптической моде с повышением выходной насыщающей мощности, использует прямое содинение встык с одномодовым волокном.

Пример 6.1: усилитель с квантовыми ямами из InGaAsP/InP длиной 1 см, работающий на длине волны 1550 нм, обеспечивает усиление волокно–волокно в 13 дБ.

Эрбиевый волоконный усилитель используется в оптических линиях связи с большим спектральным уплотнением. Ионы эрбия возбуждаются длинами волн 514, 532, 667, 800, 980 и 1480 нм. Усилители,

90