3

3.1. БУДОВА ТА ПРИНЦИП РОБОТИ ОПТИЧНОГО ВОЛОКНА

В загальному випадку оптичне волокно (ОВ) (рис. 3-1, а) складається із серцевини, по якій поширюється оптичне випромінювання, та оптичної оболонки, яка призначена, з одного боку, для покращення умов відбивання світла на границі “серцевина-оболонка”, а з другого – для зменшення випромінювання світлової енергії в оточуюче середовище. З метою покращення міцності та надійності волокна його покривають захисною оболонкою, яка може складатись з одного чи декількох шарів полімеру. Принцип роботи ОВ ґрунтується на використанні відомих процесів відбивання і заломлення оптичної хвилі на границі розділу двох середовищ з різними оптичними властивостями. Оптичні властивості матеріалу залежать від показника заломлення n, який характеризує швидкість ν поширення електромагнітної хвилі в цьому матеріалі ( n = c / ν, де с – швидкість поширення хвилі у вакуумі).

Рис. 3-1. Загальна будова (а) та поздовжній переріз (б) оптичного волокна

Серцевина оптичного волокна має показник заломлення n1 (див. рис.3-1, б), який, як правило, більший за показник заломлення оптичної оболонки n2 (n1 > n2). Якщо оптична хвиля, яка поширюється в серцевині ОВ, падає на границю розділу серцевини і оптичної оболонки, то в загальному випадку з’являються дві хвилі – відбита і заломлена. Згідно закону Снелла кут падіння α пов’язаний з кутом відбивання α´ і заломлення β наступним чином:

α = α´, n1sin α = n2sin β (3.1)

Оскільки n1 > n2, то з (3.1) випливає, що β > α. Отже, збільшуючи кут падіння α оптичного променя, можна досягнути такого стану коли заломлений промінь почне ковзати на границі “серцевина-оболонка” без переходу в оптичну оболонку. Кут падіння, при якому спостерігається такий ефект, називається граничним кутом повного внутрішнього відбивання αгр і визначається з наступного виразу

sin αгр = n2 / n1 (3.2)

Для всіх кутів α, які більші за граничний αгр , буде мати місце тільки відбивання, а заломлена хвиля буде відсутня. Це явище називається повним внутрішнім відбиванням (ПВВ) і саме воно лежить в основі передачі випромінювання по оптичному волокну. Рис. 3-1, б ілюструє зигзагоподібний хід променя в ОВ внаслідок багаторазового відбивання від границі “серцевина-оболонка”.

3.2. ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧНИХ ВОЛОКОН

Характеристики ОВ визначаються властивостями матеріалу, з якого воно виготовлено, його геометричними розмірами, а також такими параметрами як числова апертура, профіль показника заломлення та ін.

Числова апертура

В оптичному волокні може поширюватись безліч світлових променів, для яких виконується умова ПВВ. Ця умова буде виконуватись лише тоді, коли кут φ між оптичною віссю та світловим променем (рис. 3-2), що падає на торець ОВ, не буде перевищувати деякий максимальний кут φm (φ ≤ φm), який визначається через граничний кут αгр ПВВ як

φm = arcsin (cos αгр·n1/n0) = arcsin ((n12 - n22)1/2 / n0) (3.3)

де n0 – показник заломлення оточуючого середовища (для повітря n0 = 1). Кут φm називається апертурою ОВ. Фізично апертура характеризує ефективність вводу оптичного випромінювання у волокно, а для її числової оцінки використовується поняття числової апертури NA, яка є безрозмірною величиною і визначається з наступного виразу:

NA = n0sinφm = (n12 - n22)1/2 = n1(2Δ)1/2 (3.4)

де – відносна різниця показників заломлення серцевини і оптичної оболонки:

= (n12 - n22)/(2n12) (3.5)

При n1 ≈ n2 , = (n1 - n2)/(n1).

Від числової апертури залежать особливості застосування ОВ. При побудові ВОЛЗ важливим є забезпечення рівності числових апертур ОВ, джерела випромі¬нювання та фотодетектора для досягнення найменших оптичних втрат.

Рис. 3-2. Хід світлових променів у волокні

Моди оптичного волокна

Поширення світла в ОВ можна достатньо добре описати з допомогою геометричної оптики. Однак, цей метод аналізу поширення світлових променів справедливий лише в тих випадках, коли довжина хвилі світла λ набагато менша за діаметр серцевини ОВ d1 ( λ << d1 ). Для волокон, в яких d1 ≤ 10 λ , такий підхід не прийнятний. В даному випадку повинен застосовуватись тільки такий метод, який враховує хвильову природу світла. Тому, точний аналіз процесів розповсюдження світлової енергії в ОВ проводиться шляхом рішення рівнянь Максвелла. Згідно з цим методом, в ОВ поширюється декілька типів

електромагнітних хвиль, які характеризуються певним розподілом інтенсивності та поляризацією. Такі типи електромагнітних хвиль називаються модами.

Розрізняють направлені, витікаючі (оболонкові) та випромінювальні моди. Направлені моди поширюються по серцевині волокна і забезпечують передачу інформації. Моди, які заломлюються на границі “серцевина-оболонка” волокна і частково поширюються по оболонці, називаються витікаючими модами. Якщо при заломленні на границі “серцевинаоболонка” моди досягають зовнішньої границі оптичної оболонки і випромінюються в оточуюче середовище, то такі моди є випромінювальними.

З точки зору геометричної оптики під модою розуміють напрямки поширення світлових променів у серцевині ОВ, при яких відбувається їх конструктивна інтерференція. З цього випливає, що не всі промені, для яких виконується умова ПВВ, можуть поширюватись у волокні, а лише ті з них, які задовольняють умову конструктивної інтерференції.

Для оцінки кількості мод, які поширюються в ОВ, користуються таким параметром як нормована частота V, яка визначається за формулою:

V= (2πd1/λ)(n12 - n22)1/2 (3.6)

Увипадку ОВ із ступінчатим профілем показника заломлення (див. рис.3-2), число направлених мод рівне:

N = V2/2 (3.7)

Умовою розповсюдження у такому ступінчастому волокні тільки однієї моди є виконання нерівності V < 2,405. В залежності від кількості направлених мод, які можуть поширюватися в ОВ, розрізняють одномодові та багатомодові волокна.

Затухання сигналів в оптичному волокні

При поширенні оптичного сигналу по волокні він затухає внаслідок втрати потужності. Розрізняють внутрішні та зовнішні фактори, які призводять до затухання оптичного сигналу у волокні. До внутрішніх факторів відносять власні втрати, домішкові втрати та технологічні втрати ОВ. Власні втрати виникають за рахунок поглинання світлової енергії, яке відбувається внаслідок взаємодії фотонів з електронами і молекулами матеріалу волокна, та розсіяння випромінювання, яке обумовлене неоднорідністю оптичної густини матеріалу волокна. Домішкові втрати виникають за рахунок поглинання і розсіяння випромінювання атомами і молекулами легуючих домішок. Технологічні втрати обумовлені наявністю геометричних неоднорідностей, що створюються при виготовленні ОВ (мікрозгини, неоднорідність поверхні розділу “серцевина-оболонка”, флуктуації діаметру і форми ОВ). До втрат, спричинених зовнішніми факторами, відносять втрати на макрозгинах, які утворюються при інсталяції волокон.

Затухання є дуже важливою характеристикою ОВ, оскільки від нього залежить максимальна дальність зв’язку між передавачем і приймачем. Для оцінки затухання оптичного випромінювання, яке поширюється по волокні, можна скористатись наступною формулою:

PL = P0exp(–α′L) (3.8)

де P0 – потужність оптичного випромінювання на вході ОВ, PL – потужність оптичного випромінювання на виході ОВ, L – довжина ОВ, α′ – коефіцієнт затухання оптичного випромінювання на одиницю довжини ОВ. У більшості випадків для зручності переходять до логарифмічної шкали і затухання визначають в одиницях децибелах (дБ) за формулою:

A = 10·lg(P0/PL) (3.9)

Коефіцієнт затухання α в такому випадку вимірюється в дБ/км і визначається як

α = A/L = (10/L)lg(P0/PL) ≈ 4,343·α′ (3.10)

Затухання в ОВ залежить від довжини хвилі оптичного випромінювання, тому ОВ характеризують спектральною кривою коефіцієнта затухання α. Спектральні характеристики затухання найбільш поширених типів оптичних волокон показані на рис.3-3.

Рис. 3-3. Спектральні характеристики затухання оптичних волокон.

Дисперсія і профіль показника заломлення оптичного волокна

Дисперсія визначається як розсіяння в часі спектральних або модових складових оптичного сигналу, яке приводить до збільшення тривалості оптичного імпульсу при поширенні по волокні. Основними причинами виникнення дисперсії є некогерентність джерела оптичного випромінювання та його кінцева ширина спектру, а також існування великої кількості мод. Дисперсія першого типу називається хроматичною і складається з матеріальної та хвилеводної дисперсій. Дисперсія другого типу називається міжмодовою дисперсією.

Матеріальна дисперсія виникає внаслідок залежності показника заломлення матеріалу серцевини ОВ від довжини хвилі оптичного випромінювання, що приводить до різних швидкостей розповсюдження монохроматичних складових імпульсу. Хвилеводна дисперсія обумовлена залежністю групової швидкості моди від довжини хвилі оптичного випромінювання. В результаті складання цих двох дисперсій повна хроматична дисперсія в стандартному одномодовому КОВ приймає нульове значення на довжині хвилі 1310 нм. Оскільки хвилеводна дисперсія визначається направляючими властивостями ОВ, то підбираючи відповідний профіль показника заломлення для одномодового волокна (рис.3-4),

можна змінювати хвилеводну дисперсію, а, отже, зміщувати нульову дисперсію в потрібну область оптичного діапазону. Так як найменше затухання КОВ мають у діапазоні довжин хвиль 1530…1560 нм, то спеціально створюються волокна зі зміщеною нульовою дисперсією на довжині хвилі 1550 нм. В багатохвильових системах використовують волокна з малим нахилом дисперсійної характеристики. Хроматична дисперсія є основною дисперсією для одномодових волокон.

Рис. 3-4. Профілі показників заломлення стандартного одномодового ОВ (а) та одномодових волокон зі міщеною хроматичною дисперсією (б, в, г)

У високошвидкісних системах передачі даних з мінімізованою хроматичною дисперсією проявляється ще один вид дисперсії – поляризаційна модова дисперсія (ПМД). Вона набагато менша за хроматичну дисперсію і при її наявності непомітна. Причиною ПМД є той факт, що реальні волокна мають не ідеальну геометрію і оптичну анізотропію, внаслідок чого у волокні поширюються дві ортогонально поляризовані моди з різними швидкостями. Через складний характер явища теоретичне дослідження поляризаційної модової дисперсії дуже складне. Тому, необхідно лише зазначити, що розширення імпульсів, обумовлене цією дисперсією, виражається формулою:

τПМД = DПМД(L)1/2 (3.11)

де DПМД – коефіцієнт поляризаційної модової дисперсії, який вимірюється у пс/(км)1/2.

Провідні фірми, які виготовляють одномодові волокна, забезпечують на довжині хвилі 1,55 мкм типове значення DПМД ≤ 0,1 пс/(км)1/2.

Основною причиною розширення імпульсу в багатомодових волокнах є міжмодова дисперсія, яка виникає через наявність великої кількості мод, які мають різний час розповсюдження за рахунок різної довжини шляху, який вони проходять в серцевині ОВ. Для багатомодового волокна зі ступінчатим профілем показника заломлення розширення імпульсу за рахунок міжмодової дисперсії τмм можна легко оцінити за формулою:

τмм = (Ln1Δ)/c (3.12)

Як видно з формули (3.12), для зменшення дисперсії у багатомодовому волокні необхідно зменшити відносну різницю показників заломлення Δ, тобто зменшити числову апертуру ОВ. В результаті у такому волокні буде поширюватись менша кількість мод і, тому, розширення імпульсу буде меншим. Інший спосіб зменшення міжмодової дисперсії полягає у зміні профілю показника заломлення серцевини ОВ. Найбільш суттєве зменшення міжмодової дисперсії досягається, коли профіль показника заломлення змінюється по закону, близькому до параболи. Волокна такого типу називаються градієнтними (рис.3-5).

Рис. 3-5. Профіль показника заломлення та траєкторії руху променів у градієнтному багатомодовому ОВ

Розширення імпульсу у градієнтних волокнах за рахунок міжмодової дисперсії визначається за формулою:

τмм = (Ln1/c)(Δ2/2) (3.13)

Число направлених мод у градієнтному ОВ рівне:

N= V2/4 (3.14)

Звиразів (3.7) та (3.14) випливає, що кількість мод у градієнтному ОВ у два рази менша ніж у ступінчастому ОВ. Крім того, світлові промені, які найбільше віддаляються від оптичної осі волокна (див. рис.3-5), поширюються в оптично менш густому середовищі з більшою швидкістю. Все це призводить до суттєвого зменшення міжмодової дисперсії в градієнтному ОВ у порівнянні зі ступінчастим волокном.

Таким чином, приймаючи до уваги всі перераховані вище причини дисперсії, сумарна дисперсія в ОВ буде визначатись за формулою:

τ = (τмм2+(τмат+τхв)2+τПМД2)1/2 (3.15)

де τмм, τмат, τхв і τПМД – міжмодова, матеріальна, хвилеводна та поляризаційна модова дисперсії, відповідно.

Дисперсія є негативним фактором, оскільки вона обмежує ширину смуги пропускання ОВ. Для приблизної оцінки оптичної ширини смуги пропускання волокна користуються наступними формулами:

fОМ = 0,187/(τОМ·Δλ·L) (3.16)

fБМ = 0,5/τБМ (3.17)

де τOM і τБМ – дисперсії одномодового та багатомодового ОВ, відповідно, Δλ – ширина спектру випромінювання оптичного джерела. Для точної оцінки ширини смуги пропускання ОВ необхідно врахувати те, що при поширенні по волокні оптичне випромінювання затухає.

3.3. КЛАСИФІКАЦІЯ ОПТИЧНИХ ВОЛОКОН

Відповідно до ГОСТ 26793-85, який досі чинний в Україні, всі ОВ розділяються на групи (за типом випромінювання, що поширюється у волокні), на підгрупи (за типом профілю показника заломлення) і на види (за матеріалом серцевини і оптичної оболонки). Розрізняють наступні групи оптичних волокон: 1 – багатомодові ОВ; 2 – одномодові ОВ без збереження поляризації випромінювання; 3 – одномодові ОВ із збереженням поляризації випромінювання. При цьому група багатомодових волокон ділиться на дві підгрупи: 1 – із ступінчастим профілем показника заломлення; 2 – із градієнтним профілем показника заломлення. Залежно від матеріалів серцевини і оболонки ОВ підрозділяються на наступні види: 1 – серцевина і оболонка кварцеві; 2 – серцевина кварцева, а оболонка полімерна; 3 – серцевина і оболонка з багатокомпонентного скла; 4 – серцевина і оболонка з полімерного матеріалу; 5 – інші.

Міжнародна система класифікації оптичних волокон ґрунтується на рекомендаціях Міжнародного Союзу Електрозв’язку (International Telecommunication Union –

Telecommunication Standardization Sector, ITU-T) і публікаціях Міжнародної Електротехнічної Комісії (International Electrotechnical Commission, IEC). Україна є активним учасником міжнародних організацій в області зв’язку. В 2001 в нашій країні введено перший стандарт, який повністю відповідає міжнародному стандарту IEC 60793. На сьогоднішній день вже є перекладені на українську мову декілька стандартів IEC і введені як державні в Україні.

3.4. ФОТОННО-КРИСТАЛІЧНІ ВОЛОКНА

Фотонно-кристалічне волокно (ФКВ) – це оптичне волокно, оболонка якого має структуру двовимірного фотонного кристалу. Завдяки такій структурі оболонки відкриваються нові можливості керування дисперсійними властивостями волокна в широкому діапазоні і ступенем локалізації електромагнітного випромінювання в направлених модах волокна. ФКВ зараз набувають широкого застосування в оптичних комунікаціях, волоконних лазерах, нелінійних оптичних пристроях, передачі великої потужності, надчутливих газових давачах та інших пристроях.

Вперше волокно на основі фотонного кристалу було отримано у 1995 році співробітниками фірми Blaze Photonics в Англії.

Для створення ФКВ використовують скло або кварц з отворами, які заповнені повітрям. Частина отворів може бути заповнена газами або рідинами, зокрема рідкими кристалами. Рідше використовуються ФКВ, які утворені двома різними видами скла, показники заломлення яких сильно відрізняються один від одного.

Іноді термін фотонно-кристалічне волокно використовується в ширшому значенні: ним позначають майже всі типи волокон із складною структурою оболонки, зокрема мікроструктуроване і наноструктуроване волокно, а також брегівське волокно і дірчасте волокно.

На рисунку 3.6 показані дві структури ФКВ. На рисунку 3.6-а показано ФКВ із суцільною серцевиною і оболонкою з фотонного кристалу, яка має менший, ніж серцевина, показник заломлення. Мікроструктурована оболонка по всій довжині волокна має канали, діаметр яких складає 0,3 мкм, а відстань між їх центрами 2-3 мкм. В поперечному перерізі волокно має гексагональну форму, яка визначається структурою укладання капілярів у трубці. Даний тип волокна є найбільш поширеним серед всіх типів ФКВ.

Рис.3.6. Фотонно-кристалічні волокна

На рисунку 3.6-б показано ФКВ з порожнистою серцевиною. Таке волокно має великий коефіцієнт затухання (більше 10 дБ/км на λ=1,55 мкм), оскільки втрати в таких волокнах визначаються не розсіюванням та поглинанням, як у звичайних кварцових волокнах, а відбиваючою здатністю оболонки з фотонного кристалу в поперечному (радіальному) напрямку, на що впливає досконалість структури в радіальному напрямку.

Волокна з суцільною серцевиною мають коефіцієнт затухання, співставимий з коефіцієнтом затухання одномодових волокон із звичайною структурою. Велика поперечна площа серцевини такого волокна дає змогу передавати потоки випромінювання великої

інтенсивності. Але, головною перешкодою широкого використання таких волокон для передачі інформації в комунікаціях стає їхня велика вартість (порядку 1000$/м).

По фізичному механізму утримання світла в серцевині волокна ФКВ ділять на два великі класи:

1)Перший клас утворюють ФКВ, локалізація світла в серцевині яких відбувається завдяки дзеркальному відбиванню від оболонки, що має фотонні заборонені зони (ФЗЗ). Особливо важливо, що серцевина ФКВ з ФЗЗ може бути порожнистою, що дозволяє на декілька порядків збільшити потужність випромінювання, що вводиться в них, зменшити оптичні втрати та нелінійні ефекти.

2)Механізм утримання світла у ФКВ другого класу цілком традиційний для оптичного волокна – повне внутрішнє відбивання. Проте в них використовується новий принцип керування показником заломлення оболонки, який ґрунтується на його залежності від структури оболонки. Можливість керування показником заломлення оболонки дозволяє створювати так звані необмежено одномодові волокна. У них на будь-якій довжині хвилі розповсюджується тільки одна мода. Ще одна особливість ФКВ – існування одномодового режиму у волокнах з великим діаметром серцевини.

Для виготовлення ФКВ з повітряними отворами зазвичай використовують метод витягування із заготовки (преформи) при високій температурі, яка виготовляється з порожнистих трубок круглого або шестигранного перерізу. Отвори можуть заповнюватися речовинами різного типу для керування властивостями ФКВ. Іноді, але дуже рідко, використовується висвердлювання отворів у преформі, виготовленій за однією із традиційних технологій виробництва заготовок для оптичних волокон.

Фотонно-кристалічні волокна дозволяють подолати обмеження, властиві стандартним оптичним волокнам і хвилеводам. Існують ФКВ, що мають багато незвичайних властивостей, наприклад:

ФКВ, в яких одномодовий режим поширення випромінювання спектрально не обмежений;

ФКВ з ФЗЗ, які підтримують хвилеводний режим поширення оптичного випромінювання у повітряній серцевині;

ФКВ з великою або, навпаки, з дуже малою ефективною площею моди;

ФКВ з надзвичайно високою нелінійністю;

ФКВ зі збереженням поляризації, які мають дуже сильну анізотропію;

ФКВ з нульовою дисперсією на будь-якій довжині хвилі у видимому і ближньому ІЧ діапазонах довжин хвиль.

Одне з найважливіших практичних застосувань ФКВ – створення на їх основі генераторів суперконтинууму (процес конвертації лазерного випромінювання у випромінювання з широкою смугою спектру, тобто низькою часовою когерентністю, із збереженням високої просторової когерентності). Дуже перспективне використання ФКВ для перетворення довжини світлової хвилі, для створення пристроїв оптичної обробки сигналів, для транспортування потужного лазерного випромінювання і для вирішення багатьох інших завдань.

Майбутнє ФКВ багато в чому визначатиметься розвитком технології їх виробництва, зокрема, успіхами у напрямку зниження затухання і збільшення механічної міцності. Також важливим є питання зниження вартості виробництва ФКВ.

Застосування ФКВ