Текст
Шарварко В.Г.
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ
ЛИНИИ связи
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
В.Г. ШАРВАРКО
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ
ЛИНИИ связи
Учебное пособие
Рекомендовано
/МО по образованию в области телекоммуникаций в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности
210405-Радиосвязь.радиовещание и телевидение
Таганрог 2006
УДК 621391.63(075)
Рецензенты:
Кафедра прикладной электродинамики и компьютерного
моделирования Ростовского государственного университета,
заведующий кафедрой Синявский Г.П.;
И.И.Пивоваров. канд. техн, наук, академик МАИ, начальник НТЦ
ФГУП «ТНИИС».
Шарварко В.Г. Волоконно- оппгческие линии связи:
Учебное пособие. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006. -170с.
Пособие содержит материал лекций, практический занятий,
курсовой работы и вопросы к контрольным работам и экзаменам. В пособии
рассматриваются конструкции, принцип работы, параметры и методики расчета
различных типов волоконных световодов (ВС), оптические кабели, пассивные и
активные устройства на основе планарных и полосковых оптических
волноводов (ОВ), источники, приемники, модуляторы и усилители оптического
излучения, нелинейные эффекты в ВС, современные волоконно-оптические
системы передачи информации (ВОСП) с волновым спектральным уплотнени-
ем , вопросы монтажа и измерений в волоконно-оптических линиях связи
(ВОЛС), волоконно-оптические датчики.
Пособие соответствует учебным планам студентов обучающихся по
направлениям «Телекоммуникации» и «Радиотехника», и Государственному
образовательному стандарту высшего профессионального образования по
специальностям 210405, 210301, 210302 и способствует повышению
эффективности самостоятельной работы студентов.
Ил. 8^. Табл. 3. Библиогр.: 21 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Таганрогского государственного радиотехнического университета.
© Таганрогский государственный
радиотехнический университет. 2006
© Шарварко В.Г.. 2006
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АДР - дигидрофосфат аммония
AM - амплитудная модуляция
АОД - акустооптический дефлектор
ДОМ- акустооптический модулятор
АОЯ - акустооптическая ячейка
АР - антенная решетка
АРМ - автоматическая регулировка мощности
АТС - автоматизированная гелефонная станция
АСУ - автоматизированные системы управления
АФАР - активная фазированная антенная решетка
АФУ - антенно-фидерные устройства
АЦП - аналогово-цифровой преобразователь
БИК - ближняя инфракрасная область спектра ЭМВ
ВАХ - вольт-амперная характеристика
ВИД - видимая область спектра ЭМВ
ВК - волновой конвертор
ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние
ВОД - волоконно-оптический датчик
ВОЛС - волоконно-оптическая линия связи
ВРК - временное разделение каналов
ВРМБ - вынужденное рассеяние Мальдештама-Брилюэна
ВС - волоконный световод
ВСП - волокно, сохраняющее поляризации
ВСПИ - волоконно-оптические системы передачи информации
ВЧ - высокие частоты
ВШП - встречно-штырьевой преобразователь
ГФД - гетерофотодиод
ДГС - двойная гетероструктура
ДИК - дальняя инфракрасная область спектра ЭМВ
ДМР - демультиплексор
ЖИГ - железоиттриевый гранат
ИК - инфракрасная область спекгра ЭМВ
ИКМ - импульсно-кодовая модуляция
ИО - интегральная оптика
ИОС - интегрально-оптическая схема
ИОЭС - интегральная оптико-электронная схема
КВЧ - крайне высокие частоты
КДР - дигидрофосфат калия
КДА - дигидроарсенат калия
KI1Д - коэффициент полезного действия
4
ЛД - лазерный диод
ЛП - линия передачи
ЛФД - лавинный фотодиод
ЛЧМ - линейная частотная модуляция
ЛЭП - линия электропередачи
МДП - структура металл-диэлектрик-полупроводник
МИ - модуляция интенсивности
ММВС - многомодовый волоконный световод
МП - мультиплексор
МОМ - магнитооптический модулятор
МОП - структура металл-окисел-полупроводник
МСЕ-Т - международный союз электросвязи, сектор стандартизации
ОВ - оптический волновод
ОК - оптический кабель
ОМ - оптический модуль
ОМВС - одномодовый волоконный световод
ОУ - оптический усилитель
ОЦК - основной цифровой канал
ПЗС - прибор с зарядовой связью
ПМ - поляризационная модуляция
ПОМ - передающий оптический модуль
ПП - полупроводник
ППЛ - полупроводниковый лазер
ППЛД - полупроводниковый лазерный диод
ППП - профиль показателя преломления
ППФП - полупроводниковый фотоприемник
ПРОМ - приемный оптический модуль
ПЦИ - плезиохронная цифровая иерархия
ПЦК - первичный цифровой канал
РБО - распределенный брегговский отражатель
РОС - распределенная обратная связь
РПрУ - радиоприемное устройство
СВ- световод
СВЧ - сверхвысокие частоты
СД - светодиод
СЕРТ - объединение Европейских администраций почт и связи
СИК - средняя инфракрасная область спектра ЭМВ
СЦИ - синхронная цифровая иерархия
ТТЛ - транзистор-|ранзисторная логика
УПЧ - усилитель промежуточной частоты
УФ ультрафиолетовая область спектра
ФД - фотодиод
ФКМ - фазовая кросс-модуляция
ФМ - фазовая модуляция
ФП - фотоприемник
ФПрУ - фотоприемное устройство
ФР - фоторезистор
ФСМ - фазовая самомодуляция
ФТ - фототранзистор
ЦАП - цифроаналоговый преобразователь
ЦСЛ - центральный силовой элемент
ЧИМ - частотно-импульсная модуляция
ЧМ - частотная модуляция
ЧРК - частотное разделение каналов
ШИМ - широтно-импульсная модуляция
ЭДС - электродвижущая сила
ЭМВ - электромагнитная волна
ЭОД - электрооптический дефлектор
ЭОМ - электрооптический модулятор
ЭОЯ - электрооптическая ячейка
CWDM - разреженное мультиплексирование по длине волны
DBR - распределённый брегговский отражатель
DFB -распределённая обратная связь
DSF - оптическое волокно со сдвигом нулевой дисперсии
DSO - основной цифровой канал
DWDM - плотное мультиплексирование с разделением по длине волны
EDF - волокно, легированное эрбием
EDFA - оптический усилитель на ВС, легированным эрбием
ETSI - Европейский институт стандартов в области связи
ITU-T - Международный союз электросвязи - сектор стандартизации
L1D - локальный ввод излучения и его обнаружение
MZI - интерферометр Маха-Цандлера
NDF - волокно, легированное неодимом
NDFA - оптический усилитель на ВС, легированным необимом
NZDSF - волокно с ненулевой смещенной дисперсией
PAS - система юстировки по профилю волокна
PDH - плезиохронная цифровая иерархия
PMD - поляризационная модовая дисперсия
PMF - волокно, сохраняющее состояние поляризации
^DF - волокно со стандартной (несмещенной дисперсией)
SDH - синхронная цифровая иерархия
SF - стандартное волокно
STM - отношение сигнал/шум
SSF - стандартное одномодовое волокно
6
SSM - стандартное одномодовое волокно
VCSEL - ЛД с вертикальной резонаторной полостью
WDM - мультиплексирование с разделением по длине волны
7
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее учебное пособие предназначено, в основном, для студентов,
обучающихся по специальности 210405 «Радиосвязь, радиовещание и
телевидение» по направлению «Телекоммуникации», но может использоваться
и для других специальностей направлений «Телекоммуникации» и
мРадиотехника» в учебных планах которых предусмотрено изучение курсов
«Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС)», «Волоконно-оптические
устройства и системы» или других родственных дисциплин.
Кроме традиционных вопросов, рассматриваемых в учебной литературе,
например, [1,3,6,20], в пособии приводятся сведения о современной элементной
базе, особенно новых типах одномодовых волоконных световодов,
современных системах волнового спектрального уплотнения, оптических
усилителях, влиянии нелинейных эффектов в ВОЛС, которые, в основном,
содержатся пока только в мало доступных для студентов монографиях и
научных статьях [7-18]. При этом упор делается на физические принципы
работы рассматриваемых явлений и устройств с минимумом математических
выкладок, что должно способствовать облегчению и повышению
эффективности самостоятельной работы студентов.
Так как для специальности 210405 дисциплина ВОЛС изучается в рамках
дисциплин специализации в девятом семестре пятого курса, то при изложении
предполагается знание студентами основ курсов «Физика», «Основы теории
цепей», «Электродинамика», «Физические основы электроники»,
«Электроника», «Электромагнитные поля и волны», «Теория электрической
связи», «Техническая электродинамика», но основные понятия этих курсов
приводятся в порядке напоминания
Условно курс ВОЛС делится на две части: пассивные элементы ВОЛС
(разделы 1-4) и активные элементы и системы (разделы 5-12), соответствующие
двум модулям курса в учебном плане специальности 210405. В начале пособия
приведен список общепринятых сокращений, а в приложениях приведен
порядок расчета курсовой работы и список вопросов к контрольным работам и
экзамену.
Многие вопросы излагаются в пособии достаточно кратко. Для более
углубленного изучения и для курсовой работы приведен библиографический
список.
1.ВВЕДЕНИЕ
1.1. ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Курс «Волоконно-оптические линии связи» является разделом большой
области науки и хъхн\шл-« Оптоэлектроника», связанной с разработкой и
применением комбинированных волоконно-оптических устройств и систем для
передачи, приёма, обработки, хранения и отображения информации.
История развития радиотехники связана с освоением всё более высоких
частот (коротких волн), обеспечивающих расширение полосы пропускания, т.е.
повышение количества передаваемой информации, помехоустойчивости и
уменьшение габаритов излучающих устройств при заданной направленности.
К оптическому диапазону электромагнитных волн (ЭМВ) принято относить
диапазон 0,01+1000 мкм (рис. 1.1).
УФ Вид БИК СИК ДИК
----------1 д-4 iLu-Lul—। 4 и 11nil ।—Lin nd , >
0,01 0,1 I 10 100 1000 Х,мкм
Рис.1.1. УФ-ультрафиолетовая область, видимый свет, БИК-ближняя
инфракрасная область, СИК-средняя инфракрасная область, ДИК-дальняя
инфракрасная область
К видимой области условно относят диапазон Л=0,38+0,78 мкм
(фиолетовый цвет-0,4/ .w/cw, красный-0,7 мкм), хотя эта область отличается у
разных людей и меняется с возрастом. Например, дети видят и в ближней
ультрафиолетовой области с А=0,315 мкм. Спектр солнечного излучения лежит
в пределах л=0,3-г/ мкм. Видимый диапазон наиболее подходит для зрения,
потому что на меньшие длины волн вблизи поверхности Земли приходится
очень малая часть энергии из-за затухания в атмосфере, а на больших длинах
волн зрению мешают шумы собственного теплового излучения всех объектов и
ухудшение разрешающей способности глаза, как любого оптического прибора.
В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) в настоящее время
используется ближняя инфракрасная область (БИК) оптического диапазона
для z=0,85 -Н ,68 \ikai.
Освоение оптического диапазона ЭМВ началось с появления в 1960 году
источника когерентного оптического излучения ~ лазера. Теория лазеров и
мазеров связана с именами российских учёных Басова Н.Г., Прохорова А.Н. и
Таунса Ч. (США), а создал его впервые Мэйман Т. (США).
Стремление использовать оптические сигналы для передачи и обработки
информации объясняется следующими причинами:
1 Частота оптических колебаний (10пч-1015Л/) на 3^5 порядков выше
освоенной частоты радиодиапазона, что позволяет во столько же раз расширить
полосу частот, т.е. информационную ёмкость канала связи и уменьшить
поперечные размеры линий передач - световодов;
2.Передача информации осуществляется электрически нейтральными
фотонами, не взаимодействующими друг с другом и с внешними
электрическими и магнитными полями. Это обуславливает высокую
помехозащищённость канала связи, исключает взаимные наводки и паразитные
связи между его элементами:
3.Высокая направленность когерентного оптического излучения позволяет
резко уменьшить размеры излучающей апертуры согласно известной из курса
антенн формуле для ширины диаграммы 2в05 идеальной апертуры с размером L
2^.5 = 51° у=0,88^ М-
В оптоэлектронике этот параметр называется расходимостью и с учётом
неравномерности амплитудного распределения записывается
2^0,5 (11)
Например, для получения расходимости 20о,5 - 0,Г при л=7 см необходим
размер L=5m. а при Л=7 мкм - L=0,5 .мм.
Д.Когерентный световой луч можно сфокусировать на площадку, размеры
которой сравнимы с длиной волны, что позволяет резко повысить плотность
записи информации (до величины 70* бит/см2) в оптических запоминающих
чстройствах. При этом информация записывается в двумерном виде, ёмкость
ОЗУ составляет бит. ёмкость ПЗУ-70у/ +1013 бит, скорость ввода-
вывода 1(? бит/с.
5.Когерентный световой луч, несущий информацию, можно обрабатывать с
помощью аналоговых оптически,х вычислительных устройств, состоящих из
линз, зеркал, дифракционных решёток и других элементов, позволяющих
реализовать заданный алгоритм. В частности, весьма быстро и точно
выполняются такие операции, как интегрирование, дифференцирование,
свёртка, умножение и др. (скорость обработки до 1012 бит/с).
ВОЛС в настоящее время интенсивно развиваются и используются не
только в связи, но и в радиолокации, системах обработки информации,
приборостроении и т.д. Все вновь проектируемые и строящиеся линии связи
являются волоконно-оптическими и могуг быть как локальными (например,
компьютерная сеть ТРТУ). так и региональными и магистральными (cent
«Ростелеком» и «Инфотекстелеком»).
10
1.2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ ВОЛНОВОЙ, КВАНТОВОЙ И
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИК
1. Волновая оптика базируется на уравнениях Максвелла и материальных
уравнениях. Среда при этом описывается относительными диэлектрической - е
и магнитной - ц - проницаемостями и удельной проводимостью о. а также
коэффициентом преломления среды н-у[ё/й. Решение уравнений Максвелла
при гармоническом возбуждении электрическим источником = у7г для
мгновенных значений векторов электрического поля Е и магнитного поля Н
в среде без потерь имеет вид
Е= sin((o t-kr + Н = Hq sinftot-kr + tp)l , (1.2)
где a) = 2rtf - угловая частота; к = 2я /Я = УФ /ю = 0 - коэффициент фазы
(волновое число); Уф-с/п - фазовая скорость ЭМВ в среде; Ео, Но - амплитуды
векторов в начале координат; г - расстояние от фазового центра источника до
точки наблюдения; единичные векторы (орты) декартовой системы
координат; и - начальные фазы колебаний.
При этом связь фазовой скорости Уф О))(3, определяющей скорость
перемещения волнового фронта (поверхности равных фаз), групповой скорости
У<р \/(др,'дш) ^определяющей скоросгь распространения огибающей сигнала
(информации), и скорости света с имеет вид с2=УгрУф,
Так как свойства среды зависят ог частоты, т.е. н=п(со), то присутствует
частотная дисперсия Уф^ Уф(ы) ЭМВ поперечны, Е и Н - синфазны, и энергия
распространяется в продольном направлении Z, показываемом вектором Умова-
Пойнтинга П = [ЁчН] = Шг.
2. Процессы испускания и поглощения света объясняются только в рамках
квантовой теории, представляющей свет в виде потока фотонов с энергией Еф и
импульсом р, движущегося в свободном пространстве со скоростью света с:
fy = hf: p = JLk^bLi (1.3)
2я с
где h = 6,63 10 Дж • С - постоянная Планка (иногда /? = Л/2я-):
£ = 2;г/Я4 “ волновой вектор; lf~ радиальный единичный вектор в
направлении распространения. Поведение фотонов носят статистический
чаракзер Бозе-Эйншзейна Для практических расчётов удобно пользоваться
формулой
Е^ [эВ] - [мкм ]•
(1.4)
Основной мерой оптического излучения является интенсивность (яркость)
Интенсивность оптического излучения - это количество энергии,
падающей на нормально расположенную единичную площадку в телесном
единичном угле за одну секунду
В оптике используются две системы единиц: энергетическая и
фотометрическая, не связанные между собой.
В радиотехнике и связи привычнее энергетическая система, в которой
интенсивность 13 имеет размерность [ Вт) м2ср ] (ср-с/иерядыяи-единица
измерения телесного (пространственного) угла Q, представляющая собой угол
з вершине кругового конуса, охватывающий на поверхности сферы площадь г2;
~е полный телесный угол равен 4л* [ср]) (рис. 12,а).
Фотометрическая система единиц, основанная на свойствах человеческого
зрения, была введена задолго до понимания тождественности света и ЭМВ и
трименима только в видимой области. Интенсивность в видимой области
1С., имеет размерность [кд'м2] \нт\(нит)(кд-канде1ча фотометрическая
единица измерения силы света)
Соответствие между этими системами можно провести лишь условно на
длине волны максимальной чувствительности глаза Л = 555 нм (зелёный цвет)
В этом случае связь световых потоков Фф[л>и]=680ФДВш], а интенсивностей
Вт
ч'ср
Для других длин волн в видимой области необходимо использовать
усредненную кривую чувствительности глаза человека се(Л) (рис. 1.2,6),
те Iф(л)= а>(ЫЛМ 683
Следует заметить, что длина волны максимальной чувствительности гтаза
отличается у разных пюдей и зависит от времени суток (в сумерках сдвигается
на 50т60 н.м в «голубую» сторону)
Из других единиц чаще используется спектральная плотность энергии
излучения
pf
равная количеству световой энергии в единичном объеме,
приходящейся на единичный частотный интервал
В квантовой механике используется по i) классическое описание процессов
излучения, по которому свойства частиц и их совокупности описываются
Рис. 1.2.Понятие телесного угла (а) и спектральная чувствительность глаза (б)
законами квантовой механики, а излучение - в виде волн с позиций
классической физики. При этом элементарные излучатели (атомы, ионы,
молекулы) рассматриваются как квантовые системы, внутренняя энергия
которых, не связанная с движением частиц, может принимать только
определённые дискретные значения. Совокупность возможных энергетических
уровней называется энергетическим спектром, который графически
изображается в виде набора горизонтальных прямых, обычно в электронвольтах
(1эВ = 1,6-10"19Дж). Каждый уровень характеризуется населенностью N
(концентрация частиц в единице объёма). Состояние с наименьшей энергией
называется основным (невозбужденным), а все остальные - возбужденными.
Например, состояние атома водорода оценивается пятью квантовыми числами
(п. е те. ms, S), а для многоэлектронных атомов описание ещё больше
усложняется и подробно рассматривается в квантовой теории.
Мгновенный скачкообразный переход частицы с одного уровня на другой
называется квантовым переходом. Если Е, > (рис. 1J,я), система отдаёт
13
энергию, равную - £*, а при Ef < Ек (рис. 13,6) - поглощает её. При этом
энергия фотона определяется известным соотношением Бора (1.3), (1.4)
hfjk^Ej-Ek, (1.5)
где 4; - частота перехода. Квантовые переходы с испусканием или поглощением
энергии называются оптическими, но не все переходы являются разрешенными.
3. Приближение геометрической оптики (при размерах объекта L»A)
базируется на четырёх экспериментально установленных законах - отражения,
преломления, прямолинейного распространения (без учёта дифракции) и
независимости распространения световых лучей (без учёта интерференции).
При этом вводится понятие лучей (направление распространения света в
однородной среде) и пучков (совокупности световых лучей). Геометрическая
оптика позволяет изучать условие формирования оптического изображения
объекта, как совокупности изображений его отдельных точек.
1.3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ, МОНОХРОМАТИЧНОСТЬ И КОГЕРЕНТНОСТЬ
ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Поляризация - это ориентация вектора Е в пространстве (эллиптическая,
круговая, линейная). У обычных оптических источников поляризация
хаотичная (естественная), т.е. свет неполяризован. Частично линейно-
поляризованный свет оценивают степенью поляризации
1 1 -1
у = пол = макс *ин (1
'/+/”/+/’ ‘ }
пол ест макс мин
где IП()ч - поляризованная составляющая интенсивности; //(/ -естественная
составляющая интенсивности; , 1МИН -показания фотоприемника при
повороте анализатора, пропускающего линейно-поляризованную волн). Для
эллиптической и круговой поляризаций необходимы две составляющие Е со
сдвигом фаз.
Когерентность - это согласованность протекания нескочъких вочновых
процессов Различают временную и пространственную когерентность
Временная когерентность учитывает несинхронность колебаний отдельных
атомов в источнике излучения При этом фаза одной и той же световой волны в
разные моменты времени, разделённые интервалом г будет изменяться по
случайному закону. Степень временной когерентности оценивается как
корреляция R(r) двух волн от одного источника, задержанных относительно
друг друга на время г в одной и той же точке наблюдения
14
Я,(г)= j£(/)E,(/ + r)<*- (••?)
-тс
Тогда результат сложения эгих двух волн можно представить в виде
Ер - +Е? + 2E1£2^(r)coscrr;
(1.8)
/р = I\¥i2 ±2yjT^Rt (t) COS GJT,
где w - средняя частота. Значение г, при котором Rf (г) = 0,5, называется
временем когерентности, а расстояние ^ког~с^ ~~ длиной когерентности.
Полная временная когерентность (г —> оо) недостижима даже в лучших
лазерах и исчезает, когда изменение фазы достигает л. Мерой временной
когерентности является монохроматичность излучения (ширина спектральной
линии которая наблюдается в процессах дифракции и
интерференции.
Фаза волны изменяется не только вдоль направления распространения, но
и в плоскости, перпендикулярной к этому направлению (рис. 1.4).
Рис.1 4. К определению пространственной когерентности
Степень пространственной когерентности оценивается, как корреляция
двух волн в фиксированный момент времени, приходящих в две точки в
плоскости, перпендикулярной направлению распространения, на расстоянии /
/?,(/)= JE, (.г)-Е:(х+ /)<&. (1.9)
г
Значение / = J/2 . при котором /?(/) = 0.5 определяет круг диаметром d.
Иногда оперируют конусом с углом вершины <рког Мерой пространственной
когерентности является расходимость {направленность) пучка.
Для полностью koi ерентно! о излучения дифракционная расходимость сос-
тавляет - Л/L (предельное значение), а при частичной коге-
15
рентности расходимость увеличивается. Можно выделить также объём коге-
рентности ук&г = 1ког -nd2/*. в котором степень когерентности не менее 0,5.
2. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ
2.1. ТИПЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ И ИХ ПАРАМЕТРЫ
2.1.1. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) предназначены для
передачи информации при помощи оптического излучения. Достоинствами их
по сравнению с линиями передачи, используемыми в радиодиапазоне являются:
-высокая широкополосность:
- высокая помехозащищённость;
- очень малые потери;
- малые габариты и масса;
- потенциально низкая стоимость, так как не используются дефицитные
материалы (Си, РЬ);
Практическое использование ВОЛС началось с 1970 г., когда в США было
получено несколько сот метров световодного волокна с поглощением
дБ/км. К 1979 г. уже выпускалось волокно с с^,2дБ/км.
ВОЛС представляет собой волоконный световод (ВС), состоящий в
простейшем случае из двух слоев - сердцевины и оболочки, распространение
световой волны, в котором происходит путем многократных переотражений за
счет явления полного внутреннего отражения.
2.1.2. Основным первичным параметром волоконного световода (ВС)
является профиль показателя преломления (ППП), то есть закон изменения
коэффициента преломления от радиуса п(г). На рис.2.1 показаны ППП и ход
лучей для ступенчатого ВС (рис.2.1 ,а) и градиентного ВС (градан, селфок от
английского self focus) (рис.2.1.6), где 2а - диаметр сердцевины, 2Ь - диаметр
оболочки. Из хода лучей для двух частотных составляющих оптического
сигнала видно, что в случае ступенчатой ВОЛС эти частотные составляющие
приходят с разной задержкой во времени, что приводит к искажению выходного
сигнала. Например, оптический прямоугольный импульс расплывается и
становится гауссовым.
Это явление называется частотной дисперсией и является основной
причиной ограничения полосы частот, передаваемой через ВОЛС. В случае
градиентной ВОЛС разница в задержках и искажения импульсов будут
значительно меньшими в результате того, что, хотя пути для разных
16
Рис.2.1. Типы ВОЛС и их ППП
составляющих разные, в случае /2 ЛУЧ проходит большее расстояние в менее
плотной среде. Для уменьшения дисперсии обычно используются так
называемые слабонаправляющие волокна с Дл = п1-п2«л1 (Ал £0,01). При
определенном законе ППП имеются точки фокусировки, и любой отрезок
градиентного волокна играет роль линзы, то есть происходит явление
самофокусировки.
В зависимости от соотношения all волокно может быть многомодовым
(о/Л»1), в котором даже при одной Л будет распространяться множество
несколько сот) типов волн (мод), и одномодовым (а/Л~\). В многомодовых
ступенчатых волокнах преобладает межмодовая дисперсия, связанная с ходом
лучей (рис.2.1,а), в многомодовых градиентных - материальная дисперсия,
связанная с дисперсией материала волокна п(Л), а в ступенчатом
одномодовом - хроматическая (материальная и внутримодовая) дисперсии,
которые намного меньше межмодовой в многомодовых ВОЛС.
Полоса частот ВОЛС Д/, определенная дисперсией, оценивается
параметром, который называется информационной емкостью ВОЛС.
Д/7 ~ const,
где / - длина ВОЛС. Для многомодовых волокон информационная емкость
лежит в пределах 160-И ООО МГц км, а в одномодовых - до
1000Ш/ км, {ТГц = 1012 Гц = 103 ГГц).
Образно говоря, информацию, содержащуюся в 24-часовой телевизионной
передаче, можно сжать и передать за 10 ~2 с.
2.1.3. Следующим параметром является числовая апертура - NA. Она
определяется для ступенчатых и градиентных ВС разницей коэффициентов
преломлений Ди = — и2. На практике используются слабонаправляющие
волокна с Ап«п{ (технологически получить Лл<0,002 затруднительно).
17
ЛЧ» = sin<pKf =Jnt -л’1^ « 72л1Л"’1 (2.1)
NAV = sintp^ » 7я!Ал-
где ср - критический угол полного внутреннего отражения, пересчитанный в
воздух. Квадрат числовой апертуры показывает эффективность ввода света от
диффузного (ламбертовского) источника, имеющего диаграмму
направленности интенсивности l\(p)=cos(p .При этом КПД ввода
ПВВ=Ф/Ф<>=КА2,
где Фо - световой поток, излученный диффузным источником; Ф - световой
поток, попадающий в волокно. Из (2.1) видно, что КПД ввода для градиентного
ЗС в два раза меньше, чем для ступенчатого.
2.1.4. Коэффициент ослабления а учитывает все виды ослабления,
показывает ослабление оптического сигнала по мощности (интенсивности) и
зходит в закон затухания, как Р(Г) = Peiexp(-aT), где а[Нп/км] или
определяется в дБ/км из выражения
1 Р
При этом в отличие от СВЧ, а[дБ 1км] = 4,За[Ял 1км] .
В общем случае коэффициент ослабления выражается в виде суммы
составляющих
а-а 4- а , (2.2)
где & -(х^ +аФР ~ ослабление, обусловленное потерями на торцах за счет
несовпадения апертур излучателя и волокна, зазоров и перекосов на стыках,
называемое аппаратными {(ХАП), и за счет френелевских отражений от торцов
(аФР). Эти виды потерь могут быть сделаны пренебрежительно малыми при
согласовании апертур и применении просветляющих покрытий.
К соединительным устройствам (оптическим разъемам и сварным стыкам)
предъявляются высокие требования: зазор <(1ч-2)лтл перекос^(4-ь6°) - при
этом потери составляют (0,2-И)д/>. При отклонении от этих требований потери
чвеличиваются в 7-20 раз. Наиболее жесткие требования предъявляются к
соединительным устройствам одномодовых ВОЛС.
Второе слагаемое в (2.2) учитывает ослабление в самой линии - а шн,
(X — (X + а +# . (2.3)
шн ^пог рас и?т’ v '
где апог - ослабление, обусловленное потерями в самом волокне, в основном,
18
за счет примесей
8,69яи,^5,
(X » " -- *
™ Л
где 6Х - угол потерь в сердцевине (размерности в СИ)). Более сложные фор-
мулы учитывают и потери в оболочке, так как часть энергии все же попадает в
оболочку, особенно, в одномодовых ВОЛС (СХпаг зависит от ширины полосы
поглощения в запрещенной зоне):
(2.4)
Кр
___________________________________ дБ_
v«v] .
ослабление за счет флуктуации п и дефектов в волокне (релеевские
эмпирический коэффициент, зависящий от
(2.5)
потери); к„ мкм* —
L 'wJ
материала, лежащий в пределах 0,7*1,5 (для SiO2 Кр=0,8, а для стекла Кр=1,5)
а,
дбЛаиб-
р
ОН
2- апог
ар®с
О 8 10 12 14 16 Ънкм
Рис. 2.2. Коэффициент ослабления в ВС
аии~ ослабление за счет потерь излучения на изгибах волокна, когда
нарушается явление полного отражения. Во избежание этих потерь необходимо,
чтобы выполнялись условия: радиус изгиба волокна /?> R^a!Я)» Ди >0,002
(Лф - критический радиус изгиба).
Суммарное ослабление для разных типов волокон на основе кварцевого
стерла (S1O2) лежит в пределах от долей дБ/км до единиц дБ/км. Для
полимерных волокон а = (10-1000)дБ/км.
Формулы (2.4) и (2.5) носят приближенный характер и показывают лишь
общую тенденцию зависимостей. Экспериментальные зависимости а(1)
имеют осциллирующий характер с минимумами поглощения в окнах
прозрачности (ОП) кварцевого стекла: ЮП-Л = (0,82-0,88)jwcm;
19
2ОП - Л = (1,285 + 1,33>кл<; 3<9/7-2=(1,530-1,565) 4ОЯ-Л=( 1,565-1,625).
Минимальное поглощение наблюдается в ЗОП приЛ»1550л<юи. Максимум
поглощения из-за примесей, особенно гидроксильной группы ОН, на
/.* (1,37+ 1,4 1)л<кл< .
В последнее время разработаны ВС с устраненным пиком поглощения ОН и
зведено 5ОП- Л » (1,35 + 1,53)л<км. При л>1,65л«кл< преобладает апог, т.е.
тепловые потери.
2.2. МОДЫ В ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ
2. 2.1. Волоконные световоды (ВС) в общем случае являются
многомодовыми линиями (ММВС), т.е. в них даже на одной частоте возможно
одновременное распространение множества типов волн (мод) с разным
поперечным распределением и с разными скоростями. ВС является
разновидностью круглого диэлектрического волновода, используемого на СВЧ,
и поэтому основной модой является НЕц [21], а кроме неё, при наиболее
распространённом диаметре сердцевины 2а-50мкм могут распространяться
Нтп» £тп > НЕтп И ЕНтп.
В случае слабонаправляющих волокон (Дл =Wj ~л2 ««]) постоянные
распространения, ориентация вектора Е и распределения мод HEk l m , HEk.fm
очень похожи (т.е. моды вырождены). Поэтому для упрощения анализа
несколько мод объединяются в группы, и суммарные распределения
называются линейно-поляризованными модами LPkb поперечные распределения
которых удобнее рассматривать для декартовых составляющих полей
Ех,Еу,Нх,Ну (продольными составляющими пренебрегают из-за их малости по
сравнению с поперечными) [1]. Смысл индексов остаётся тем же, что и для
обычных мод, но рассматриваются вариации интенсивности поля, которые
можно наблюдать визуально (к- количество вариаций по азимуту, I- количество
вариаций по радиусу).
a б в
Рис.2.3. Мода£Ро1=#£н.
В этом случае НЕп считается модой ЬРоь которая может существовать
в виде двух вырожденных решений а и б (рис.2.3). На рис.2.3,в показано
20
распределение интенсивности, из которого понятнее смысл индекса №=0.
Следующие моды LPU условно можно записать в виде:
#01 + ^01 + #^21 »
£ЯП+Я£31 =£Р21 ;
Я£21 = ^02 »
а на рис.2.4 показаны распределения составляющих и распределение интен-
сивностей для моды ££//, которая имеет 4 вырожденных решения.
222. Для анализа условий распространения разных мод вводится норма-
лизованная постоянная распространения у = ьга , зависящая от отношения а/Л
и Ди. На рис. 2.5,а приведены результаты решения дисперсионного уравнения в виде
зависимости коэффициента распространения р и (У ) для разных мод, где
Д| = — коэффициент распространения в материале сердцевины, а
$2 = А)л2~ в материале оболочки волокна (/^=2^//^- коэффициент
распространения в воздухе). Из графиков видно, что для всех мод значение
коэффициента фазы ри лежит в пределах Р2 < ри < Д. Мода LP0I является
основной и не имеет отсечки (Л^( ->оо), т.е. может распространяться при
любом а/Л.
Рис.2.4. Мода LPn
Для всех высших мод существует условие отсечки (У < зависящее от
номера моды и отношения а/Л, т.е. Л>Л^р. Ближайшая к основной высшая
мода LPn имеет уО7Г =2,405, следовательно, условие одномодовости (ОМВС)
можно записать, как У<2,405. Количество мод, которые могут распространяться
в ступенчатом ВС м = и2/2, а в градиентной м = V2/4. Количество групп мод -
Q »-Л/ • Условие одномодовости волокна - К<2,405.
21
При 2а=50 мкм М «500, а для
значение 2а<8 мкм.
одномодового волокна необходимо
а б
Рис.2.5. Дисперсионные характеристики ступенчатых ВОЛС
Для удобства пользования этими графиками вводится вспомогательная
В1и-Вг
величина Ь., -волноводный показатель замедления h = —-— 1, которая
и $-рг2
позволяет рассматривать нормализованные зависимости bu(V) независимо от
конкретных значений пх , п2 и а. Условие существования моды в этом случае
записывается как Ьы > 0 (рис.2.5,6).
2.3. МЕЖМОДОВАЯ ДИСПЕРСИЯ
Под межмодовой (многолучевой) дисперсией понимаем задержку во
времени прохода разных мод на единицу длины линии, поскольку каждая мода
распространяется под своим углом ф, который изменяется в пределах
уКР > Ф > 0 (рис.2.6).
Осевой луч (при <р = 0) проходит расстояние / за время Тх = пхЦс ,апри
максимально возможном определенным условием полного внутреннего
отражения, за время Т2 ^//(с-сояр^). Из законов Снеллиуса
sin0c = п2/п}; cosy^ = sind^, следовательно т2 = пх 1/(п2с)-
Задержка во времени прихода крайних случаев
ДГ = Г2_Г1=^-^ = ^,
п2с с п2с
следовательно, межмодовая дисперсия
22
Vcosf'y
Рис.2.6. К определению межмодовой дисперсии
^МОД _П\ Ьп
I п2 с Дл«Я]
(2.6)
а----.
с
В градиентных ВОЛС при оптимальном ППП межмодовая дисперсия
может быть сведена к минимуму, а в одномодовых волокнах её не может быть
по определению.
Задача № 1
Сравнить числовую апертуру, долю мощности, вводимую в
волокно от диффузионного источника, максимальную расходимость
источника, количество мод и групп мод, межмодовую дисперсию и
информационную ёмкость для кварцевого волокна с оболочкой («1= 1,51;
п2 =1,5) и без оболочки (п^ 1,51; п2 =1) при диаметре сердцевины 2а=5Ъмкм
и длине волны Л= 0,85л<кч.
2.4. МАТЕРИАЛЬНАЯ ДИСПЕРСИЯ И ИНФОРМАЦИОННАЯ ЕМКОСТЬ
2.4.1. Материальная дисперсия определяется дисперсией материала
волокна, т.е. зависимостью и(2), и обычно имеет значения намного меньше,
чем межмодовая. Поэтому она учитывается в тех случаях, когда устранена
межмодовая дисперсия (в одномодовых и градиентных ВОЛС). Материальная
дисперсия выражается соотношением
где Да — ширина спектральной линии излучения источника; YM = Л —- —
dA2
коэффициент дисперсии материала. На рис.2.7 приведёны графики и(Л),
-dnldA и d2n/dJ? для SiO2 >из которых видно, что при А — 1,26 +1,32 мкм
23
коэффициент дисперсии материала равен нулю, однако, в этом случае нужно
учитывать внутримодовую дисперсию. Суммарное действие материальной и
внутримодовой дисперсий в одномодовых ВС называется хроматической
дисперсией. Длину волны для минимизации &ТМАТ/1 можно смещать
легирующими добавками в материал волокна. В последнее время вместо
хроматической дисперсии в литературе, например [7-18] для одномодовых ВС
используют дисперсионный параметр D=-\Ут|/2с [пс/км-нм]
Из (2.7) видно, что ЬТМА1 // можно уменьшить выбором источника с
минимальной шириной спектральной линии, т.е. лазерного диода, а не
светодиода.
Если минимизированы межмодовая и хроматическая дисперсии, то нужно
учитывать более тонкие явления - внутримодовую дисперсию, существующую
в одномодовых ВОЛС, и поляризационную дисперсию, возникающую из-за
сдавливания волокна, что приводит к разным групповым скоростям для
ортогональных поляризаций (см. 2.8). Для реальных ВС иногда учитывают еще
т.н. профильную дисперсию, возникающую из-за флуктуации ППП [20].
2.4.2. Хотя природа разных видов дисперсии разная, все они
проявляются одинаково в искажении (расплывании) оптического импульса. При
наличии нескольких видов вводят понятие полной дисперсии, которую в
многомодовых ВС приближенно можно оценить как среднеквадратичную
величину
(Л^мол t (&ТШ1 А (2 8)
/ К / J I / J ’
Однако при оценке информационной ёмкости и полосы частот нужно
считывать, что межмодовая дисперсия имеет оптическую природу и
обусловливает оптическую полосу 4/ош (связана с разностью хода лучей), а
материальная определяется электрической полосой _1/э/ огибающей, которая
регистрируется фотоприёмным устройством (ФПрУ). Например, для AM -
колебаний полоса частот огибающей в два раза меньше полосы AM-сигнала, и
условно считается, что AJoni * = 1/(2Л7) (в (2 5) показано, что эю
соотношение зависит от формы импульса). Поэтому при преоб шдании
межмодовой дисперсии (ступенчатые многомодовые ВОЛС) информационная
емкость определяется формулой
Д// =—!-----« —, (2 9)
2ДГ^ 2Дл
а при преобшдании материи !ъной (градиентные и одномодовые ВОЛС) -
— А- (2 10)
4ДГ6 4ДЯ|У„,|
24
В многомодовых ступенчатых ВОЛС zl/7=(0,H) ГГц • км, а в одномодовых
достигает 1 000 ТГц-км.
Рис.2.7. К определению материальной дисперсии
Задача № 2
Оценить материальную дисперсию и информационную ёмкость
для одномодового кварцевого волокна с источниками: светодиодом
(ширина спектральной линии ЛЛ= ЗЪнм) и лазерным диодом (ЛА=Знм).
Параметры волокна Н|= 1,51; п2 =1,5; коэффициент дисперсии материала
I Ил| =0,021, Л=0,85.шси. Определить максимально возможный диаметр
сердцевины.
2.5. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЛС
2.5.1. Ввиду искажений оптического импульса при прохождении его
через ВОЛС вводят понятие среднеквадратической длительности импульса.
Это понятие более ценное, чем, например, полная дисперсия при неизвестной
форме импульса. Если энергию принятого импульса Е выразить через форму
оптического импульса (светового потока)Ф(/), как р _ |ф(1)<//’ то
нормированная форма импульса выражается как
25
Л(/) = Ф(О/£. (2.11)
Среднее время прихода (центр тяжести) импульса tQ определяется, как
t0 = А рф(0<й. (2.12)
Среднеквадратичная длительность импульсов выражается через стан-
дартный момент второго порядка
СТ2 =-^7 )(/-/„)’<X>(t)rf/ =-^ j/20(t)rfz-r„2. <213)
Е _* Е
Аналогично можно выразить среднеквадратические ширину спектра или
длину волны ал.
На рис.2.10 приведены примеры значений а для наиболее
распространенных форм импульса, связанные с длительностью импульса по
уровню половинной мощности т, полной длительностью АТ (или средней
длительности тс для гауссова импульса).
Уширение импульса под действием межмодовой и материальной дисперсий
приводит к формированию приблизительно гауссовых импульсов со
среднеквадратическими длительностями awlft и сгиат. Оба механизма снова
объединяются на выходе и сформировывают вместе со входным импульсом со
среднеквадратической длительностью авх приблизительно гауссовый выходной
импульс со среднеквадратической длительностью
а = + O-L, + а^'2. (2.14)
2.5.2. ВОЛС - это линейная система с ограниченной полосой и
поэтому, при входном импульсе в виде ^-функции, принятый импульс
представляет собой импульсную характеристику- h(t) волокна. Для
преобразования её в передаточную характеристику: волокна Нф достаточно
использовать преобразование Фурье
**(/)= H(f)= ]7>(/>.vp(-1
26
\/ д/
г = Д'Г
а * 0.209г = 0.209ДГ
г = 0,833 тс
z = 0,5 Д Т
а «0,408 г = 0.204 Д Г
а « 0,425 г = 0,354 тс
а б в
Рис.2.8. Среднеквадратические длительности для прямоугольного -о,
треугольного - б и гауссовою -€ импульсов
где ft(f) = 0(t)/EfffcWr - нормализованная импульсная характеристика; Евых -
энергия выходного импульса. При этом отношение Е^/Е^ <1 характеризует
потери в волокне.
Ранее указывалось, что из-за квадратичное™ характеристики
фотоприёмника » однако проанализировав передаточную
характеристику для разных форм импульсов, можно получить следующие
соотношения: для прямоугольного импульса , для треугольного -
, для гауссовою -
Более интересным частотным параметром является скорость передачи
информации в[бит / с]. В [1] показано, что исходя из достоверности передачи
цифровой информации для любых импульсов
2?<1/4сг. (2.16)
г.е. длительность импульсов не должна превышать % периода.
Для приближенных оценок достаточно считать, что
й = (2.17)
27
~де Ft - тактовая частота цифровой системы связи; - максимальная
частота модуляции аналоговой системы связи.
Для конкретных импульсов передаточные характеристики и связь между
временными и частотными характеристиками имеют следующий вид:
. Прямоугольный импульс (¥<• безразмерная частотная переменная)
Н(/)=. <Р = s/т, w = 1.39, <Р0, = 1,9>
’< 144«_ =1W., “ = -у:.. “ 'Зблл.;
2. Треугольный импульс H(f)-
в = 1/40 = 1.37bf = 1.92М = -2— = ЛЛ„, « 1.39М ;
jMm 1,64т 0,824
3. Гауссов импульс °* ;
В = Ха = ,’34А^=1’89^'=7^7; Л/""''г1’41Л/"
Для любого канала связи, в том числе и ВОЛС, существует параметр -
энергетический потенциал
A=PMPIP^ (2|«)
"де РПер-Р± мощность передатчика (источника оптического излучения):
р иШ1~Ф^р ~ пороговая чувствительность (пороговый поток)
приёмного устройства (фотоприёмника). В случае ВОЛС спектральная
пороговая чувствительность имеет размерность ФП(,рЛП[Вт/Гц] (см. 9.2) и
поэтому спектральный энергетический потенциал имеет размерность
А,п[Гц]*А<п[бит/с]; интегральный- AM„n=Act/B: АМ1т.[дБ]=101^Ашпи или
^УШН Р 1/Ф1Юр.иИПЬ где Ф^р инт~Фцир.1П'В.
Задача №3
Оценить, чем ограничивается максимальная длина цифровой
ВОЛС с коэффициентом ослабления а= 8дБ/км и потерями на стыках
-1дБ. со скоростями передачи информации Т ~ 2; 20; 100 Мбит/с при
28
Л=0,85 мкм; ДЛ=35 нм; / Ут 1=0,025, мощности источника ( светодиода ) Рсд
= 150 мкВт и пороговой чувствительности ФПрУ Рпр.мин = 1 нВт/Мбит/с.
Параметры материала волокна для расчёта межмодовой дисперсии
w. = 1,51; л, = 1,5.
2.6. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ И РЕЖИМЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
2.6.1. Вблизи источников возбуждения излучения в ВС, как и в любой
ЛП существует множество мод и наблюдается их несогласованность по
структуре и поляризации. Это приводит к сильному преобразованию мод на
начальном участке, а часть их может излучаться в оболочку. Поэтому вводят
параметр «длина установившегося равновесного состояния мод 1Р»[ 14].
г
/ ____а----.е- (п см ч- иЮОм).
Р ^[рад]
Например, при а =25 мкм; (ргР=Ъ,\4рад; К=ЗО получим Iр « 292,w.
2.6.2. Лучевой метод, который применялся для описания принципа
работы ВС и для оценки межмодовой дисперсии, является приближенным и
условно применим при 2а>10Л. Но при оценке более строгими методами и
согласно результатов эксперимента часть энергии все же проникает в оболочку,
а ход лучей на границе выглядит, как показано на рис.2.9,а. Величина d зависит
от л и от (р и оказывает влияние как на потери, так и на дисперсию.
Модовый анализ позволяет также определить распределение потока
мощности для каждой моды интегрированием вектора Пойнтинга /у ~ 1 £ /у
2l ’ J
по поперечному сечению сердцевины и оболочки. При этом можно определить
глубину проникновения в оболочку поверхностной волны для любой открытой
направляющей системы с замедленной фазовой скоростью. На рис.2.10
показаны графики зависимости относительной доли мощности
моды,распространяющейся в оболочке Роот нормализованной частоты V (Рн-
доля мощности, распространяющейся в сердцевине).
Из графиков видно, что большая часть потока мощности находится в
сердцевине волокна за исключением случаев, когда мода близка к частоте
отсечки. В случае одномодовых волокон оказывается, что достаточно большая
часть мощности распространяется в оболочке, хотя и убывает по экспоненте как
поверхностная волна. Эта часть мощности вызывает так называемые моды
оболочки.
В одномодовых волокнах это явление оценивается диаметром drh4 или
29
Рис.2.9. Ход лучей на границе (а) и диаметр модового поля (б)
Рис.2.10. Отношение доли мощности, распределяющейся в оболочке
PQ к доли мощности в сердцевине P#
радиусом гпм поля моды (рис.2.9,в). При этом считается, что распространение
по радиусу имеет гауссовый ыл1х.1(г)=ехр(-г/гпмЛ dnu=2rnM (пм - пятно
моды).
Экспериментально измеренное значение диаметра поля моды d пи ^2rmf
по уровню 1/е" от максимума больше диаметра сердцевины и нормируется как
один из параметров волокна, точным образом зависящий от длины волны
* рис.2.11). Имея экспериментальное значение dnKf, можно с конечной
'очностью скорректировать теоретическое значение Л(т . умножив его на
сношение 2a/dmi (Л,„, • 2aldns, )[8].
2.6.3. На рис.2.12,я показан ход лучей, возникающий при изгибах
JU
Рис 2 11. Поперечное распределение интенсивности в ВС
волокна (макроизгибы) У внешней? края изгиба радиусом Л/ь/ фазовая
скорость увеличивается и стремится к V0 оболочки, что приводит к
излучению или модам оболочки.
Рис 2 12. Ход лучей при изгибе ВС (а) и микроизгибе (б)
В ММВС потери на изгибах можно оценить, как
aUA.= 101g[l-a/(^,A)]g[^
(2-19)
где а - радиус сердцевины. R - радиус изгиба: Д - (zz, -n2)/nl , g = 2 - для
стхпенчатого ВС и g=4 для градиентного ВС В параметрах ВС
pei 1аментируется максимально возможный RHJl , характеризующий влияние
микрон згобоь. которые возникают при намотке на барабан волоконно-
онгического кабетя на заводе или при его прокладке и монтаже При этом
больше вчияет переход от прямого ВС к изогнутому, чем длина изгиба L
31
При Lja > 100 преобладают потери на изогнутом участке. При Ru„ >5см в этом
случае потерями можно пренебречь.
2.6.4. Малые отклонения оси ВС от прямой на несколько мкм
называются микроизгибами - рис.2.12,в (они могут возникать в процессе
.вготовления). При большом их количестве потери определяются d ПК{.
Д = (/?1 -н2)/И| и могут достигать ЖдБ/км. Особые требования к наличию
микроизгибов в ОМВС.
2.7. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТОВ И ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОМОДОВЫХ
ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
2.7.1. Все выражения дисперсии в многомодовых ВС (ММВС)
приведены для идеального световода и только для меридиональных
(аксиальных) лучей (пересекающих ось) без учёта взаимодействия между
модами. Реально из-за неоднородностей волокна происходит преобразование
мод и изменение углов и путей их распространения (лучи могут не пересекаться
с осью). Эти изменения носят случайный характер и считается, что разница во
времени распространения Д7 при больших расстояниях пропорциональна не /.
a V7 [12]. (рис. 2.13).
Рис. 2.13. К понятию /г
Эти явления возникают с определённой длины /у, называемой длиной
установившейся связи {1у = 5 +7км). Поэтому межмодовая дисперсия в
ступенчатой ВОЛС
приС<
при(: > .
(2.20)
т.е. Д7\л?///уменьшается, хотя ослабление а увеличивается.
32
Для предотвращения возврата мод оболочки обратно в сердечник оболочка
делается из материала с большим а (например, из пластика).
Обычные дешёвые ступенчатые ВОЛС имеют а - 5-20 дБ/км.
пластмассовые ВОЛС (аг=20-100 дБ/км). диаметры сердцевины и оболочки
соответственно 2а=50мкм', 62,5мкм;2Ь=125мкм. Для смещения минимума
ослабления в основу SiO2 делаются добавки Ge, Р. В, F. Лучшие ступенчатые
ВС имеют А/7 = 1 ООнГц • км.
2.7.2. Для отсутствия межмодовой дисперсии в градиентных ВОЛС
необходим параболический закон ППП
п\
«|[1-Д'] = л2
(2.21)
где Д'^пгп^/п^Дп/nt - относительная разница коэффициентов преломления;
у- параметр аппроксимации. Условие самофокусировки достигается при
У = (2.22)
и межмодовая дисперсия при этом имеет минимум
е (Ли)2 _ и,(Д') . to, “ fc ”. (223) %сп} у (.
где /?у = (10 4-15)к.м. Таким образом, в градиентных ММ ВС дисперсия
в 8/Д' раз меньше, чем в ступенчатых. Если же у = 2, то дисперсия увеличи-
вается в 4 раза
^МОД _ < f<e 2сп, у’ (2.24)
1 2сп} \ f
т.е. в 1/Д'раз меньше, чем в ступенчатом ВС. Поэтому любой плавный ППП
всегда уменьшает Д7\л;//< и больше предпочтителен, чем ступенчатый.
Условно считается, что при / = (]-:-3) - ВС градиентный; / = (3-И0) - ВС
квазиступенчатый; у > 10 - ВС ступенчатый. Реально лучшие градиентные ВС
имеют A/Z = (1,2 4-1,5 )ГГц км ; а- (0.6 4-\)дБ/км.
Согласно рекомендациям G.651 ITU-T ММВС имеют 2 50м км и 62.5.wkw
и условно делятся* на четыре класса в соответствии с материалами и диаметром
слоев:
33
- класс АГ. стекло/стекло, диаметры сердцевины/оболочки:50/125; 62,5/125;
85/125; 100/140мкм (градиентные 1 < / < 3);
- класс А2: стекло/стекло, диаметры сердцевины/оболочки: 200/240 мкм;
А2.1 квазиступенчатые 3 < у < 10;
А2.2 ступенчатые 10 < / < °о ;
- класс АЗ: стекло/пластмасса, диаметры сердцевины/оболочки: 200/280 мкм
(ступенчатые);
- класс А4: пластмасса/пластмасса, диаметры сердцевины/оболочки: 980/1000
мкм (ступенчатые).
В системах плезиохронной связи (см.п.р.10.2) используются только волокна
класса А1 (два первых размера), а остальные используются в локальных
вычислительных сетях. Из-за сравнительно большого поглощения и дисперсии
многомодовые волокна используются на сравнительно небольших расстояниях
1-2 км, в основном, в локальных вычислительных сетях. В остальных случаях
используются одномодовые волокна.
Достоинства ММВС: снижаются требования к излучателям (более
дешевые передающие модули на СД), фотоприемникам и к точности
сращивания ВС (на порядок ниже, чем у ОМВС).
Недостатки ММВС: возникновение модовых шумов в диапазоне
10Л/4-300.иЛ/, особенно в аналоговых ВОЛС (из-за случайных изменений
поперечных распределений - спекл-структуры).
2.8. РАЗНОВИДНОСТИ И ПРИМЕНЕНИЕ ОДНОМОДОВЫХ СВЕТОВОДОВ
(ОМВС)
2.8.1. Как уже отмечалось ранее, из анализа дисперсионных
характеристик ВС следует, что условием одномодовости принято считать
условие отсечки высшей моды LP} ।, т.е.
Г/г > 2,405 или А < 2mNA/2.405 , (2.25)
где V = 2naNА/А ; Например, для M4=Q13; г\ =1.47; 2а = 8,Змкм
получим А(т = 1,409л/км. Практически измеренное значение
= 1,26.wkw, т.е. условие (2.25) дает некоторый запас и объясняется
приближением £Р-мод. Между выбором Д/7 и а/А нужен компромисс, так
как для очень малых 0.001 получим 2/7-(10-И2)мкм. условия ввода
энергии при этом улучшаются, но резко увеличиваются потери на изгибах. Для
значений Д/7 = 0.01 получим 2а = (4 + 5)мкм, что вызывает технологические
трудности и трудности ввода энергии в ВС. Современные ОМВС имеют
34
2а = (8-Н0).м/сии Ди = 0,003-0,005.
2.8.2. По рекомендации Международного союза электросвязи, сектора
стандартизации электросвязи МСЕ-Т (ITU-T) диапазоны длин волн ОМВС
имеют следующие обозначения, показанные в табл. 2.1 [16].
Таблица 2.1
Условные обозначения Наименование Диапазон, нм Окно прозрачности Л ,нм Примечание
О Основной (original) 1260-1360 11 1280-1325
Е Расширенный (expended) 1360-1460 V 1350-1530 С устранением пика поглощений гидроксильной группы ОН
S Коротковолновый (short) 1460-1530
С Стандартный (convensional) 1530-1565 Ш 1530-1565 Магистральные ВОЛС с эрбиевыми оптическими усилителями (ЭОУ)
L Длинноволновый (long) 1565-1625 IV 1580-1625 Стоимость / бита в 2 раза выше, чем в диапазоне С
и Сверх- длинноволновый (ultra long) 1625-1675 не освоен
2.8.3. Исторически первые ОМВС имели ступенчатый ППП и
называются стандартными. Их параметры регламентируются рекомендациями
G.652 (рис. 2.14,а). Общепринятые обозначения таких ВС: SF, SSF, SSMF.
Основным недостатком таких ВС является высокая чувствительность к
изгибам.
Для снижения этой чувствительности и, следовательно, для уменьшения
потерь применяется W-ППП (рис.2.14,6) с двойной оболочкой. Такие ВС, как и
стандартные, могут работать во II и III окнах прозрачности. Разность Ап
зависит от температуры и при повышении её до Ю0°С может от значения
(3-5)1 (Г3 увеличиться до (4-6)1 (Г\ что приведёт к увеличению ЛМ и нарушению
условия одномодовости. В результате часть энергии переходит в высшее моды.
35
ut(r)
it I
2ц «IOuajw
•• r
2<i. » 125-wcm
2rt, =(240 + 250).^*-»
a 6
Рис.2.14. Стандартные и W-ППП
т.е. увеличиваются потери до 0,5 дБ/км (необходимо NA =4,003-0,005).
2.8.4. Основную роль в ОМВС играет материальная дисперсия, которая
определяется зависимостью Vn(f) или п(Л) (см. рис.2.4).
Рис. 2.15. Коэффициенты материальной - YM и внутримодовой - Yn. дисперсии
(2.26)
При этом длина волны называется длиной волны нулевой
дисперсии.^ = (1,27 ч-1,29) л/аси в зависимости от вводимых примесей в Si()2.
Положительная дисперсия (Л < Ло) называется нормальной, а отрицательная
(Л > Лц) -аномальной. Для чистого SiO2 = l,27.wcu.
В последнее время для математического описания материальной дисперсии
лспользуется разложение постоянной распространения в материале волокна
36
в ряд Тейлора вблизи несущей частоты со 0 [8]:
= п(а>)— = fi, + Д(й>-®()) + у/?2(<а-®0)2 +..., (2^7)
с 5
где R = - (и + со—) = — = —- определяет групповую скорость, т.е.
' С d(O С vn.
Vu, ~ ~п + odn/dco называется групповым коэффициентом
преломления;
cod2n ~ Л3 d2n
cd<o~ 2лс2
пс2
км
- определяет материальную дисперсию, откуда
ДТ Л2
можно получить связь /?, =--—---------.
2 / 2ягДЛ
Другой вид дисперсии - внутримодовая меньше материальной и проявляется
сильно только вблизи из-за зависимости у?01(И). Так как при малых V
большая часть энергии распространяется в оболочке, то и в материальной и во
внутримодовой дисперсиях учитываются параметры оболочки. По аналогии с
материальной дисперсией вводится коэффициент волноводной дисперсии:
(228)
пг dV2 пг V2
где b = bOi - волновой показатель замедления (рис. 2.5,6).
График функции Уц, приведён на рис.2.15 для разных значений диаметра
сердцевины 2а. Из графиков Уми Yw на рис2.15 видно, что возможна
компенсация материальной и внутримодовой дисперсии и изменение длины волны
суммарной нулевой дисперсии. Для стандартного ВС получается .
Сумма материальной и внутримодовой дисперсии называется хроматической
дисперсией и может быть представлена в виде
(229)
Внутрпмодовую дисперсию следует учитывать в случаях, когда значительно
уменьшена материальная дисперсия.
Известны и другие выражения аппроксимации зависимостей материальной и
внутримодовой дисперсий, например, в [20].
Кроме диаметра сердцевины, внутримодовая дисперсия зависит от профиля
показателя преломления (ППП). Для этого используются более сложные законы
ППП с увеличенным числом слоёв. При этом удается создать волокно со значи-
37
-ельно сниженной дисперсией в широкой полосе длин волн Я = 1,530 ч-1,565^/.
Такне ВС называются ВС со смещенной нулевой дисперсией (DSF). При
Л = 1,55-WKtr коэффициент поглощения а О^дБ/км (рекомендации G.653).
Рис.2.16. ППП ВС со смешенной дисперсией
Для количественного выражения полной (хроматической) дисперсии в
паспортных данных современных одномодовых волокон используются следующие
параметры [15]:
- дисперсионный параметр (коэффициент хроматической дисперсии)
“ dA A2 ~ с dA2 I ЛА
ПС
км • нм
(2.30)
Для = 1,55 лиси типичное значение для стандартного ВС (SSF)
_ Л1И • НМ
При этом связь с выражением для хроматической дисперсии (2.29) имеет вид
\ТХР Ц = -D-АЛ- Отметим, что знаки нормальной и аномальной дисперсии для D
вменяются. В современной литературе параметр D часто называется просто
дисперсией ОМВС;
-коэффициент накюна дисперсионной характеристики
(предполагается линейный характер D(A) ); типичное значение в
пс
км • нм2
пс
км • н.м
точке нулевой дисперсии для SSF (* 1,3 ]мкм) s = 0.092
- относительный коэффициент накюна оисперсионний характеристики
RDS = [1/нл/]. Типичное значение RDS=0.0053[I/hm].
Зависимость параметра хроматической дисперсии от Л для стандартного ВС
можно выразить [ 12.15]. как
38
Da)«^-A 1
4
(231)
На рис. 2.17 показаны зависимости коэффициентов дисперсии материала -
Z)A/(z), волноводной - Df[ (Л) и значения Ло при их компенсации для двух
типов ВС.
В параметрах ОМВС указывается обычно не диаметр сердцевины (7 4- 9
который теряет смысл при сложном ППП, а диаметр поля моды
dnM =(8-И или эффективная площадь сечения АЭФ. При этом
АЭФ = 7СГдМ К , где К = 0,96-7-0,98 для SSF и К = 0,940,96 для DSF (в
зависимости от Л).
4—1
± [aw-icwj
10- 1270-1290 .
f AoSSF= 1300-1310 AOOSF=1550
О- • • •
................/.АанЭля опанОартноао ВС (SSF)
-10- '' .
/ ,1^-Опя ВС со смещённой ducnepcueu(DSF)
-20-' I I I I -I ► Лл.4
1100 1200 1300 1400 1500 1600
Рис. 2.17. Зависимости коэффициентов дисперсии для разных типов ВС
2.8.5. В ОМВС применяется оптическое спектральное уплотнение или
волновое мулыттлексирование/демультиплексирование (WDM), позволяющее в
одном диапазоне ОМВС передавать до нескольких десятков каналов с разностью
частот Д/ = (2004-100)ГГц или ДЛ = (1,6 * 0,4)ил/ (см. п.р. 4.3). и уплотнение
еще более высокой плотности (DIFDA/)- Д/ < 50ГГц или ДЯ < 0,4ял/.
В ОМВС типа SSF и DSF из-за высокой плотности потока мощности даже при
мощности источника Рг > 10.и5/л возникают нелинейные эффекты (см.р.6).
приводящие к возникновению комбинационных частот, которые могут совпадать с
частотами соседних каналов. Влияние этих комбинационных частот особенно
сильно при условии фазового синхронизма* когда совпадают фазовые скорости
основных и комбинационных частот, что и происходит при нулевой дисперсии в
ВС и является основным недостатком ВС с смещенной нулевой дисперсией
(DSF). Поэтому были разработаны ВС со смещенной ненулевой дисперсией
39
(NZDSF) для которых D может быть или положительным (+), или отрицательным
(-), со сниженным влиянием нелинейных эффектов и с малым наклоном Д(Я).
Фактически в этом случае Л^ сдвигается за пределы стандартного диапазона С.
Например, = 1630км для NZDSF-, или Л^ « 1250км ajwNZDSF+.
2.8.6. В тех случаях, когда скомпенсированы материальная и
внугримодовая дисперсии, необходимо учитывать поляризационную модовую
зисперсию АТпол / 4l (FMD), которая возникает из-за нарушения изотропии
материала волокна за счет сдавливания волокон {явление двойного
лучепреломления) или их несимметричности. При этом для двух поляризаций будут
разные коэффициенты распространения (3L и (3П. Оказывается, что мода
проникает в оболочку глубже и поэтому имеет меныпую скорость распространения
(< Vu). Поляризационная дисперсия (PMD) нелинейно зависит от длины
линии и учитывается вероятностными соотношениями
пс
^ПОЛ _ К-ПМД
41 41
(2.32)
где КПМД - коэффициент поляризационной дисперсии, зависящей от типа ВС.
Например, для SSF при / « 100км ДТ^/41 < Ъ^пс/км^2 Окончательно полная
дисперсия ОМВС выражается как
_ l( ! ^MAi (2 33)
I \\ I I J I
Лтя некоторых применений, например для волоконно-оптических датчиков (ВОД)
tc.M.p. 12), необходимо использовать ВС, сохраняющий состояние поляризации
{ВСП). Дря сохранения линейной поляризации применяются аксиально
несимметричные ВС, в которых может распространяться или мода только одной
поляризации или две моды LPQ{X и LPQ]Y различной поляризации, но с большой
разницей постоянных распространения. Выполняются такие ВС с различной
формой поперечного сечения с несимметрией внутри оболочки или сердцевины. В
настоящее время наиболее распространены ВС эллиптическим сердечником
фис2.18), которые выпускаются на следующие длины волн Л = 0,63 ; 0,85; 0,98;
13; 1,55 мкм.
40
Рис. 2.18. ВС с сохранением линейюй поляризации
2.8.7. Согласно МСЕ-Т (ITU-T) принята следующая классификация ОМВС
по типу дисперсии (таб. 2.2).
Таблица 22
№ Реко- менда- ции и подкла осы Наименов. рекомендации Основные признаки Оптими- зирован- ные, диапазо- ны Л ,им Рекомендации дляВОСП
1 G.652. А Ь = 0; Л>=1310ил< D = (17 + 20)«% при Л = 1550мм »=°-2Х Нулевая дисперсия иАэтс не смещены (стандартные- SF,SSF,SSMF). Большие затраты на устранение дисперсии 1260- 1360 (0) 1530- 1565 (С) Для магистральных изоновых плезиохронных (ПЦИ)и синхронных (СЦН) систем с оптическими усилителями; 12 . каналов WDM :
G.652. С (модиф ика- ция) С устраненным пиком поглощения ОН 1260- 1625 (Е) То же, но возможно 16 каналов CWDM с компенсацией дисперсии через 80 км.
41
Продолжение табл. 2.2
№ Рекомен- дации и подклассы Наименование рекомендации Основные признаки Оптимизи- рованные диапазоны Л ,нм Рекомендации для ВОСП
2 G.653. А £> = 0 при Д, = 1550нл< Смещенная нулевая дисперсия (DSF) Специальный ППП(2х- слойная оболочка). Минимум (X; нелинейные эффекты при Р>10мВт 1530-1565 (С) (возможно до 1625) Для магистральных синхронных сетей WDM с * неравномерным распределением каналов (подводные ОК); 1РИГ > 120км
3 G.654.A D = 0 при Д, = 1ЗООнж Со смещенной (увеличенной) Ллг ’ а- минимальный 1500-1600 (возможно до 1625) Длинные магистральные ВОЛС. Малое распространение
4 G.655 .А 0 = 0 При Ль = 1565нм С ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF-) Подавляются нелинейные эффекты, но плохо; 4 - слойная оболочка; .увеличена ^ЭФ ’ низкий наклон дисперсионной характеристики 1530-1565 (С) (возможно до 1625) Синхронные ВОСП, DWDM, / = 100 «ь 200П (80 каналов при А/ = 50ГГц). При В<\0Гбит/с без компенсации дисперсии
42
Окончание табл. 2.2
Рекоменда -ЦНИИ подклассы Наименование рекомендации Основные признаки Оптимизи- рованные диапазоны Л ,нм Рекомендации дляВОСП
5 G.655 .В D = 10—— НМ* КМ при 2 = 1565нм нм-км при Я =1550км D = (0,1 +10)—— НМ‘КМ при Л = (1530 - 1565 >1/ Увеличена ; низкий наклон дисперсионной характеристики: специальный 11111! (A-NZDSF + ); уменьшены нелинейные эффекты; >^мкм 1535-1565 (С) Синхронные BOCUDWDM, 160 каналов при В = \0Гбит/с (у = 1оотД До 200 км не требуется компенсация дисперсии. Возможное перспективе В — 40Гбит/с (д/-*25 + Я>ГГ»)
На рис. 2.6 показаны дисперсионные характеристики некоторых
рассмотренных типов ВС.
Рис. 2.6. Дисперсионные характеристики разных типов ВС
43
В последнее время появились новые типы ВС с увеличенным диапазоном А,
меньшим наклоном D(A) и уменьшенными нелинейными эффектами (True Wave,
All Wave,Metro-Cor и др.). Например, Metro NZDSF - во всех диапазонах имеет
Э<0 (отрицательное Metro NZDF).
При прямой модуляции ЛД возникает так называемый эффект ичирпа^-
знутриимпульсной ЧМ, что увеличивает дисперсию. В ВС с отрицательной D ВЧ -
компоненты идут быстрее и отрицательное D компенсирует эффект “чирпа” -
импульс сжимается до 1=100 км, а потом опять расширяется, но длина участка
регенерации увеличивается до 300-400 км.
ЗадачаЛМ
Для стандартного ОМВС - SSF (рек.С.652 МСЭ-Т) с максимальным
коэффициентом наклона дисперсионной характеристики
S = 0,093 пс](нм2км) определить коэффициент хроматической дисперсии,
хроматическую дисперсию при Д2 = 0,1нль информационную емкость и
лишу участка регенерации при В = 600Мбит/с в середине 111 окна
прозрачности (С-диапазона).
2.9. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ВС
Кроме рассмотренных выше ОМ и ММВС, существуют типы ВС для
специальных применений:
- для компенсации нормальной или аномальной дисперсии - (DCF ±) -
вставляются в тракт периодическими участками, но значительно увеличивают
потери;
- легирование эрбием (EDF) для использования в эрбиевых волоконно-
оптических усилителях (EDFA);
- легированные неодимом (NDF) для использования в неодимовых волоконно-
оптических усилителях (NDFA);
- сохраняющие поляризацию - PMF или hi-bi (high biefrienqence);
- с большой площадью сечения сердечника 2а - 300-^-800.м/см - для
создания световых потоков большой мощности при измерениях и для
специальных приложений;
- микроструктурированное волокно с увеличенной эффективной площадью
поперечного сечения АЭФ = яг/лл//4при сохранении условия одномодовости и
с очень малым наклоном дисперсионной характеристики.
Возможна реализация такого волокна в виде брегговского волокна со
сложным ППП. представляющим собой периодическую шестислойную
структуру оболочки.
44
Другой вариант - фотонно-кристаллическое волокно, представляющее
собой структуру из множества пустот в сердцевине. Такие ВС имеют
2я ~ 50.нкл/ при сохранении условия одномодовости, но пока что имеют
большие потери. Опытные экземпляры используются в оптических волоконных
усилителях.
2.10. ТЕХНОЛОГИЯ И МАТЕРИАЛЫ ВС
2. 10.1. В России в настоящее время оптическое волокно не выпускается. На
кабельных заводах используется волокно производства фирм США, Японии,
Германии, полученное методом осаждения из газовой фазы (парафазное
осаждение).
Суть метода осаждения из газовой фазы состоит в том, что трубка или
стержень (пруток) помещается при высокой температуре в газовую среду, пары
из которой осаждаются на поверхности стержня или внутри трубки и создают
слой с требуемым значением коэффициента преломления, таким образом,
получается так называемый штабик. Затем штабик разогревается до
размягчения (до 2000°C), нанесенный слой проплавляется, и из штабика
вытягивается волокно.
Достоинством метода является уменьшение загрязнений материала
волокна, следствием чего имеет место малое поглощение, а недостатками -
трудность контроля закона п(г) и ограниченная длина волокна. При осаждении
на трубку возникает искажение требуемого ППП для градиентного волокна с
провалом на оси.
Наиболее современный метод - осевое осаждение на торец насадки освоен
в Японии.
2. 10.2. Существуют следующие типы материалов волокна:
I.Кварцевое (оксидное) стекло. Основа SiO2 -90%. Остальное - добавки.
Например, для увеличения п -Р2О5 и GeO2; для уменьшения п В2О3. Кроме
того, добавки уменьшают температуру плавления с 2000 °C у чистого кварца,
что ограничивает его применение, до 1500°C. Такие волокна могут работать на
Л=0,85л/ю/ с а = (3-т10)д/>/ки(ММВС). Ступенчатые ММ ВОЛС имеют
д// = (40^50)Л/Л/ м/, и градиентные= ( 1200+ \500)МГцкм;
2 Одно модовые волокна из кварца с добавкой GeO3. получаемые
модификацией метода осаждения из газовой фазы при 2а на
л = 1,3 1,55 мкм имеют а = (0,14- 0,01)05/ км; kfl < (4000)ГЛ/ • км;
В <40Гбит/с.
45
3. Многокомпонентные стёкла, кроме кварца SiO2, содержат добавки
ЫО2, N2O, MgO, CaO, А12О3, что позволяет снизить температуры
плавления до 1200-5-1300 °C при а = (6 + Т)дБ]км и практически той же
информационной ёмкости, что и оксидные стёкла.
Этот вид волокон был предназначен для массового использования, но не
нашел применения из-за плохих характеристик.
4. Волокна из комбинированных материалов (кварц- полимерные) содержат
сердцевину из оксидного или многокомпонентного стекла и оболочку из
полимера (силиконовых смол). Такие волокна лучше ведут себя на изгибах, что
приводит к стабильности характеристик до 10000 час и стойкости к радиации.
При Л = 0,8-г0,85лт/; а = (5*10)д£/юи; И^1<\1МГц • км'-> 2п = 2001 ООО.ики;
/ = л-100л/.
5. Полимерные волокна на основе полистирола или полиметилакрилата
(оргстекла) с оболочкой из фторполимеров при 2а = (100 4- 500)мкм имеют
для Л = (0,5-t0,7)jwkm а = (102-г103)д5/км. В Японии =}S + 20dE/w .
Это наиболее дешевые волокна для межблочных соединений и локальных
сетей для I - 10 -ь 100м, они имеют температуру плавления меньше
60-г80 °C.
Волокна имеют массу до ЮОг/кль Снаружи волокно покрывается одной
или несколькими защитными оболочками, несколько волокон объединяются в
волоконно-оптический кабель. Защитные полимерные покрытия - это 2-
слойные уретанакрилы, отверждаемые под действием УФ-облучения.
2.11. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВС
2.11.1. Геометрические характеристики важны для строительства и
эксплуатации ВОЛС, определяют уровень потерь при сварке, количество
успешных сварок. Жесткие допуски на геометрические параметры ОВ
упрощают и ускоряют сварку и заделку в разъемы. В спецификациях должны
быть отражены:
- диаметр оболочки 2Ь и допуск на диаметр оболочки ± (0,7 -г 3).wcw;
- диаметр сердцевины 2а и допуск на диаметр сердцевины ± (0,7 4- 3) икм;
- некруглость оболочки
2а макс 2аМИН
2а( р
(<1%);
- погрешность концентричности сердцевины относительно оболочки
(расстояние между центрами) < 0.4.юси;
46
- диаметр защитного покрытия d± 5мкм ;
- погрешность концентричности покрытия относительно оболочки
(расстояние между центрами) < IZwkw;
- радиус собственной кривизны > 4л/;
- строительная длина (4 +6)км.
На рис. 2.14 показаны стандартные размеры ММ и ОМВС.
внутренний слой
.. • защитного покрытия
краска (мягкий)
Многомодовый ВС
2а = 50;62,5 ± Злиои;
26 = 125±3мкм;
£> = 245±15.юси.
Одномодовый ВС
2а = (6 4-10) ± 0,7лнои;
26 = 125±1,0л<ки;
D = 245 ± I Ъмкм.
Рис. 2.14. Поперечные сечения ВС
На электрические (оптические характеристики) влияют, в основном,
параметры сердцевины и оболочки.
2.11.2. Механические характеристики важны для эксплуатационной
надежности. Потенциально прочность бездефектного SiO2~ волокна больше,
чем стальной проволоки того же сечения, однако микротрещины при наличии
натяжения волокна, влаги, высокой температуры приводят к обрывам даже при
незначительных нагрузках, так как под нагрузкой микротрещины растут.
Математическое ожидание времени обрыва может уменьшиться до года и даже
нескольких месяцев (вместо десятков тысяч лет при нормальных условиях). В
технических условиях регламентируются следующие параметры:
I. Долговременная механическая прочность - определяется параметрами
статической усталости, основным из которых является безразмерный параметр
п, связывающий рост трещин с натяжением ОВ. Чем выше п ,тем выше
надежность. Для-стандартных ОВ п=2(К а для ОВ особой прочности п~25.
2. Инертная прочность определяется размером наибольшего дефекта по всей
длине. Для выявления этого дефекта в процессе производства производится
47
перемотка ВС под фиксированной нагрузкой (proof-test). Указывается усилие
натяжения в ГПа или % удлинения ОВ (обычно усилие 0,7 ГПа для обычных и
1,4 ГПа для подводных ОК). Для ВОЛС с 1=100км гарантия безаварийной
службы в течение 25 лет (с вероятностью разрушения 0,001). Отношение
натяжения перемотки к эксплуатационному (запас по перемотке) должен
составлять 3-г 4.
3. Натяжение ОВ при эксплуатации. Напряжение возникает из-за нарушения
технологии производства кабеля, технологии прокладки, мерзлотные
деформации, сейсмические продвижки, оползни, обледенение подвесных
кабелей и т.д. Поэтому необходим конгроль натяжения ОВ. Самым
эффективным методом является метод, основанный на анализе спектров
бриллюэновского рассеяния света в ОВ (бриплюэновский рефлектометр). Метод
позволяет оценить натяжение ОВ, выявить ненадежные участки и оценить
механическую надёжность в процессе эксплуатации. Для /= 100км в течение 25
лет удлинение не должно превышать 0,2...0,25%.
4. Усиление стягивания покрытий стримером (легкость разделки при
скалывании и сращивании ОВ) (1,3-8,9)#.
2.11.3 . Характеристики при воздействии внешних факторов в первую
очередь учитывают изменение поглощения. В спецификациях указывается
допустимое значение изменения а (старение ОВ) при воздействии:
- 1 = (-60 - 85)°С (опорное t = 23°С);
- циклы температура-влажность t = (-60 ч-85)’С при влажности 98%;
- выдержка в воде при / = (23 ± 2)’С;
- тепловое старение при / = (85 4- 2)’С;
Прироста не должен превышать 0,05 дБ/км •
2.12. ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ
2. 12.1. Линейные оптические кабели(ОК) могут быть подземные,
подвесные, подводные, внутриобъектные (распределительные и станционные)
и монтажные. Можно выделить следующие конструктивные элементы ОК:
- оптическое волокно или волоконный световод (ВС) - основной элемент,
выполняющий роль направляющей системы (среды);
-оптический модуль (ОМ) выполняет роль защитного элемента. Он может
быть трубчатым, профилированным и ленточным (рис. 2.15). В одном ОМ
может быть (2-г 24) ВС. В трубчатом ОМ ВС могут скручиваться вокруг
центрального силового элемента (ЦСО) из стали, Л/, армидных нитей или
стеклопластика.
- оптический сердечник (ОС) из одного или нескольких (2-5-18) ОМ или
пучков ОМ скрученных вокруг ЦСЭ или корда, что повышает механическую
48
прочность ОК. В сердечник могут включаться жилы дистанционного питания
(рис.2.16);
- броня - из оцинкованной или нержавеющей стали из одного или 2-х
повивов, из стальной ленты, из арамидных нитей или стеклопластика и т.д.
Трубка Воздух
Трубчатые ОМ Профилированный ОМ
Синтетическая лента
жёхэ ИВ
Полимерный
ВС материал
ОМ с полимерным защитным
Адгезивный слой
ВС
ОМ с дополнительным защитным
покрытием покрытием
Ленточные ОМ
Рис. 2.15. Варианты конструкций оптических модулей
В России ОК выпускают больше 12 заводов с разными обозначениями
марок ОК. В одном ОК до 288 ВС. Освоены одномодульные ОК с количеством
ВС 2 -г 48, ВС - которые допускает усилие растяжения 20 кн.
49
2. 12.2. Номенклатура оптических кабелей (ОК) подразделяется по
разным признакам:
1. По унификации оптического сердечника^
2. По допускаемому растягивающему усилению для подземных и подводных
ОК:
- тип 1 р > %0кн;
- тип2 р>20кн;
- тип3 р > 7кн ;
- тип4 р>2,1кн-
3. Подвесные ОК в грозотросе ЛЭП (импортные) по материалам
подразделяются на 4 группы. Они выдерживают натяжение до 735 кВ и токи до
160А.
4. Подводные (морские) наиболее сложные, так как морская вода под
давлением проникает через пластмассы; В защитной оболочке используются А1,
Си, РЬ, броня из стали.
5. Палевые - временные (без металла)- имеют повышенную гибкость.
6. ОК для внутренней прокладки - облегченные, нет защиты от влаги, не
содержат металла (количество ВС до 12).
7. Многоволоконные распределительные ОК для внутренней разводки: число
ВС кратно 2, выполняются в виде жгутов из микрокабелей. Количество ВС -
16-г 72, число жгутов 4-г 12 с армидными нитями и пластиковой оболочкой.
8. Композитные кабели - для оконечной разводки. Цветная маркировка ВС
произ-водится на буферном покрытии. Эти ОК более тяжелые, чем распре-
делительные. Могут использоваться и для внешней разводки в защищенных
каналах.
В зависимости от условий прокладки существуют следующие виды ОК:
- ОК скрытой горизонтальной проводки;
- ОК для скрытой вертикальной проводки (снижения);
- комбинированные ОК с витыми парами;
- оптические шнуры для специальных целей.
Особые требования к пожаробезопасности, т.е. все ОК должны бьпь
выполнены из негорючего и недымящего материала.
2.13. РАЗНОВИДНОСТИ И ПОКОЛЕНИЯ ВОЛС
2.13.1. Различают три разновидности ВОЛС:
1. Короткие с /<100.и - используются в устройствах для дистанционного
управления и контроля производственных процессов, в АСУ, в устройствах
дискретной автоматики (высоковольтной и сильноточной), в информационных
каналах учреждений (видеотелефон, кабельное телевидение, видеотека, охрана.
50
реклама и др.), в бортовых системах на кораблях и самолётах, в бытовой
технике.
2. Средней протяженности с длиной до ЗООаси - связь между АТС (городские
- 50-100км. зоновые 200-300кл/), кабельное телевидение, связь ЭВМ с
дальними терминалами и др.
3. Длинные (магистральные) ВОЛС - 1= 103 - 105 км: линии дальней связи со
скоростью передачи в 1000 Мбит/с с малыми потерями, большой
информационной ёмкостью и хорошо защищённые от неблагоприятных
климатических воздействий . Это наиболее дорогие ВОЛС.
В настоящее время наблюдается следующее распределение использования
типов ВОЛС:
- 40 - 50 % - магистральные;
-1 0 %-экспериментальные и исследовательские;
- 5 - 6 % - системы управления производственными процессами;
- 4 - 5 % - кабельное телевидение:
- 3 % - приборостроение.
2.13.2. Поколения ВОЛС определяются параметрами ослабления и
скоростью передачи информации.
Первое поколение (с 70-х г. в США) - это многомодовые короткие линии с
источником - светодиодом (Х=0,78 - 0,9.мкм), могут быть аналоговыми и
цифровыми со скоростью В<300 Мбит/с. Пока что это большая часть
работающей отечественной аппаратуры.
Второе поколение- одномодовые цифровые линии с I >20км с источником-
лазерным диодом (Л-1,17 - 1,33 мкм и Л-(1.53 -1,62) мкм) и приёмником -
лавинным фотодиодом со скоростью передачи Т<10 Гбит/с с повышенной
степенью интеграции в передающем и приёмных модулях и оптическими
усилителями - сюда относится большинство разрабатываемых и строящихся
линий
Третье поколение - ОМВС со спектральным уплотнением (WDM и
DWDM) с Я = (L36ч-К62)лн0и с многослойными ВС для компенсации
разных видов дисперсии и использованием более сложных ППП, устранением
гидроксильного пика поглощения ОН. Широко используются в качестве
ретрансляторов волоконные оптические усилители, скорость передачи
информации В < 40 Гбит)с.
Освоение дальней инфракрасной области с Л=(4-?10) .wcw, где легче
сделат ь одномодовое волокно и возможно получение коэффициента ослабления
а = (0.1 - 0,001) дБ/км. потеряно актуальность, так как в настоящее время пока
что не используются информационные возможности имеющихся ВС в
освоенных оптических диапазона,ч и отработаны технологии получения ВС с
диаметром 2а = ^5 * 10 )лнсм .
51
3. ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
3.1. ПАРАМЕТРЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ
3.1.1. Конструктивной основой любого устройства интегральной
оптики (ИО) является планарный (двумерный, пленочный) оптический волновод
(ОВ). Он представляет собой плоский диэлектрический волновод на
соответствующей диэлектрической подножке. Различают однородные
(тонкопленочные) (рис.3.1,я) и неоднородные (градиентные) (рис.3.1,б)
планарные ОВ. При этом первоначально вдоль оси ^(перпендикулярной
плоскости рисунка) ОВ считается бесконечно протяженным. Слой с
показателем преломления п§ называется подложкой, с П2 - покровным слоем
(покрытием), а с щ - собственно волноводом с высотой (толщиной)/?. Для
выполнения условия полного внутреннего отражения, которое является
основой принципа работы ОВ, должно выполняться соотношение п} >п0,П2-
Иначе говоря это условие волноводного режима, т.е. существования
поверхностных волн вдоль оси z .
Рис.3.1. Профиль показателя преломления и ход лучей ?л-ной моды;
xfm - точка “поворота” /и-ной моды
В таком ОВ согласно решениям уравнений Максвелла с граничными усло-
виями могут существовать НЕ и ЕН моды (падающие и отраженные), однако
поскольку одна из продольных составляющих значительно меньше другой, то
этой составляющей пренебрегают и условно называют их H/It (E||j) и
£.<ф> -модами (/«-количество вариация вдоль х). При этом полный набег
фазы волны при прохождении луча от одной границы до другой и обратно
должен быть кратен 2л (аналогично с ВС).
3.1.2. Коэффициент фазы (постоянная распространения) т -ной моды
ступенчатого ОВ представляется как
Рт = ! К/, = <3-1)
52
где /с = 2тг/Х; п“П1 =п^1П0т - эффективный показатель преломления', Уф -
фазовая скорость в ОВ; 01т - угол распространения /и-ной моды в первом
(волноводном) слое.
Вводят также: нормированную частоту (или толщину)
Г = kh^n2 - ng = khNA , NA = sin (ркр: (3.2)
где NA - числовая апертура; волноводный показатель замедления Ьт
bm=(iC-nl)/(nl-nl)-, (3.3)
степень асимметрии ан и а^ для Е и Н волн соответственно
Из зависимостей bmty) при разных а для слабонаправляющих пленок
(Ди = - п2 « nQ) условием распространения т - ной моды являются
соотношения
что соответствует более привычным соотношениям электродинамики Л < Лкр
или f > fKp, откуда можно получить соотношения для V()TC :
v\omc=arctg&; 1 (35)
^Мотс ~ lomc
Из (3.5) видно, что основная мода (т = 1) при а = 0 (симметричный ОВ) не
имеет отсечки fkKp —а для более распространенных несимметричных ОВ
существует отсечка.
Максимальное число распространяющихся мод
М = Г / я = 2(h/k)^n?-n$. (3.6)
Для Н1П и Е1П волн условия отсечки практически не отличаются, однако
фазовые скорости будут различны. Структуры силовых линий мод Н] и £| в
симметричном ОВ показаны на рис.3.2., а распределения амплитуд для первых
мод - на рис.3.3.6.
В области ОВ распределения амплитуд аппроксиммируются функциями
cos или sin, а за его пределами - экспонентой - это “хвосты” мод. Глубины
проникновения с?2 • и эффективная толщина для высших мод увеличивается.
В несимметричных ОВ d2 t/0 и распределения несимметричные. В средах с
53
поглощением или усилением характер поперечных распределений не
изменяется.
Рис.3.2. Основные моды ОВ
Волновой
Hi.E, Н2,Е2 Нз.Ез
а б
Рис.3.3. Поперечные распределения амплитуд
На рис.3.3,а показано, что работу ОВ можно рассматривать с точки зрения
того, что фазовые скорости в подложке и покровном слое больше, чем в ОВ.
При этом волновой фронт искривляется и энергия прижимается к волноводу.
3.1.3. Условие существования /и- ной моды можно получить из
соотношения > Vm(tmc. Для несимметричного ОВ (а —> оо) и для
симметричного (а -> 0) без учета "‘хвостов” для слабонаправляющего ОВ эти
условия имеют вид [2]
Ди|«— =л! "и0 -<2'Я~1>27гЪ’; Д"1«-о =И1 >(/и-1)2—(3-7)
32/7,/т 32n}h
Для градиентных ОВ все параметры можно определить аналитически лишь для
некоторых распределений п(х), но они чаще определяются экспериментально.
Требования дисперсии любых видов ОВ, ввиду малых расстояний, особой
роли не играют, поэтому выбор типа ОВ определяется назначением и
оптимальной технологией.
3.1.4. На практике ширина ОВ b вдоль оси у не бесконечна. Если
6/Л>10. то применима теория планарных волноводов. Если b!h< 10. то
54
волновод называется полосковым (канальным). В этом случае энергия по нему
распространяется узкими пучками по прямолинейной (у ступенчатых) или
криволинейной (у градиентных) траекториям. Явление полного внутреннего
отражения при этом проявляется как по толщине, так и по ширине, и могут
распространяться моды Нтп и Етп. Задача определения и’и других
дисперсионных параметров при этом сложнее, но подобна планарным ОВ
На рис.3.4, приведены некоюрые варианты выполнения канальных ОВ.
Рис.3.4. Варианты реализации полосковых ОВ : а - приподнятый ; б -
гребенчатый ;в- погруженный (внедренный); г- утопленный (погруженный
диффузионный) ;д - диффузионный.
3.2. ПОТЕРИ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ. МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ
3 2 1. Потери в оптических волноводах обусловлены поглощением,
рассеянием в объеме и на поверхности ОВ, а также излучением в подложку и
покровный слой Как и в случае оптических волокон, в отличие от
радиодиапазона применяется коэффициент поглощения по мощности а, т.е.
зависимость мощности или интенсивности от продольной координаты z
описываемся выражением
(3.1)
где характеризует репеевские потери (за счет рассеяния на
неоднородностях материала ОВ и шероховатости границы); потери на
изучение в подложку и покровный слой; а7 потери пинии (объемные - в
материале ОВ), ace- потери за счет связи с другими ОВ (паразитной или
специальной)
В ОВ преобладают peieeeckue потери на шероховатости границ, так
как на I с 1/ приходится до 1(Г отражений
55
где аш- усредненная глубина шероховатостей. На практике необходимо,
чтобы <тш <2/10.
Потери на излучение несущественны для прямолинейных ОВ, а для
изогнутых
где гв- радиус кривизны полоскового ОВ; B\.Bi - аппроксимирующие
коэффициенты, резко увеличивающиеся при уменьшении Дл. Для типичного
значения Ал / п\ «0,01 значение Г9 >102Л (обычно гв » Юлш).
Объемные потери для стеклообразных ОВ пренебрежимо малы и должны
увеличиваться только в ПП, если энергия фотонов hf превышает ширину
запрещенной зоны ДЕ (hf > &Е) • В этом случае коэффициент поглощения
определяется межзонным поглощением и может
достигать#^ = ал »\03 дБ/см. Поэтому необходимо, чтобы
Л[мкм] > 1,24/ДЕ[эВ] , когда межзонное поглощение невозможно. Однако, в
атом случае возрастает поглощение свободными носителями заряда
(внутризонное)
авз = а, «С?^[Яи/си],
где Сц — константа; Nq~ концентрация носителей. Например, для GaAs
Сд«10”17сл<2 и получение малого аЛ требует Nq < 1017см~3, а в этом
случае плохо реализуется лазерный эффект (авз ~ Л2). На практике с учетом
оптических и акустических фононов и примесей авз ~ .
Приемлемым для ОВ является коэффициент поглощения
а « (1 -5- 2>)дБ/см = (0,25 * 1)Нп /см (а[дЕ/см]= 4,3а[//л/ал<]).
3.2.2. Методы изготовления планарных и полосковых ОВ
заимствованы из технологии ПП электроники. Их можно условно разделить на
три категории:
- нанесение пленок на подложку ступенчатых ОВ возможно окунанием в
раствор, центрифугированием, напылением (аморфные пленки) и
эпитаксиальным наращиванием (монокристаллические пленки). При этом тип
кристаллической решетки и постоянные решеток должны совпадать;
- создание слоя на подложке градиентных ОВ возможно легированием из
потока газа или нанесенного слоя и погружение в расплавленный электролит;
- имплантация ионов введением свободных носителей при облучении
56
протонами или получение выпрямляющего контакта (слоя Шоттки) или р - п
перехода. Прилегающий к нему слой будет обеднен свободными носителями,
что приводит к увеличению коэффициента преломления.
Нужная конфигурация ОВ обеспечивается фотолитографией.
3.3. СВЯЗАННЫЕ ВОЛНЫ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ
3.3.1. Двухканальный направленный ответвитель (НО) является
простейшим устройством, использующим связь между ОВ за счет перекрытия
"хвостов" мод соседних полосковых ОВ. При более общем подходе
оказывается, что и связь мод и связь соседних ОВ можно рассматривать одними
и теми же приемами на основе связанных волн. В общем случае необходимо
учитывать все моды ОВ, в том числе и моды излучения, образующие полную
ортогональную систему. На практике чаще ограничиваются двухмодовым
приближением.
На рис.3.5,а показан вариант конструкции двухканального направленного
ответвителя на основе двух параллельных внедренных полосковых ОВ с
поперечными распределениями для основной моды Нц, связь при этом
осуществляется за счет перекрытия “хвостов” распределений и
токов поляризации диэлектрика. Для когерентной перекачки энергии
необходимо, чтобы выполнялось d < А. / 4 и необходимые фазовые
соотношения. В общем случае это достигается выбором направления
распространения падающей волны, а в примере рисунка - полной симметрией-4
устройства. Эффективность связи двух интегрально-оптических элементов
характеризуется коэффициентом связи
' Д(.(а;+Л!)'
где а^ру- коэффициенты поглощения и фазы в поперечном направлении
(вдоль у); Ь - ширина полоскового ОВ; d-расстояние между ОВ; = /7П -
коэффициент фазы вдоль оси z для моды 7/,,.
Решение системы дифференциальных уравнений при ^=^=0^;
Д - р2 = имеет вид
4(z)=J0coj(Cz>’7to;
40—J4 sin
57
где к' = К2 +1 — “ эффективный коэффициент связи с учетом разных
“ V “ I 2 J
фазовых скоростей; к~ Р -ja12- коэффициент распространения вдоль оси
z; а - коэффициент поглощения по мощности вдоль z ; Д, Л2 - комплексные
амплитуды полей.
а б
Рис.3.5. Двухканальный направленный ответвитель
Из этих решений видно, что при K'CBz < у в ОВ 2 фаза отстает от фазы в
7t
ОВ 1, а при л > K'CBz > у фаза ОВ 2 опережает фазу QB 1.
В оптоэлектронике чаще оперируют мощностями (интенсивностями)
/J(z)=7>0cos!(C2>'“; <310)
P2(z)=W(Cz>-".
При условии фазового синхронизма (&p=0;Kct = K„) вся мощность
ответвляется из ОВ 1 в ОВ 2 при условии sin (K'CBz) = 1
Л’«2'(₽Я!Л’/2 + ля’ = ^/2(2л + 1), (3.11)
где п = 0,1,2,..,; LKp = п Ц2К" ) - критическая длина связи. При условии
./(„£ = Д’+ ля-= ;r(n + l) (3.12)
вся энергия ответвляется обратно в ОВ 1 (рисЗ.5,6).
В общем случае возможно три варианта связи:
«А/? - условие слабой (паразитной) связи;Р}лпм
Р2мю~(К„/2Л0)г.
58
2. Л’Г6»Д^ - условие сильной связи ; Р2 -1-(Л‘св/2Д^)2 ; при
= л 12 + пл.
3. Д/3 = О - условие фазового синхронизма, которое трудно реализовать на
практике из-за необходимости точной идентичности ОВ, поэтому производится
подстройка Pi и р2 при помощи электрооптического эффекта (см. п.р. 7.2).
Двухканальные ответвители являются наиболее распространенными
элементами ИО. Их используют в делителях мощности входных и выходных
элементах связи и др. пассивных элементах. Но наиболее важным является
применение их для модуляции и переключения с использованием
электрического управления коэффициентом преломления, а следовательно и
ДД при помощи электрооптического эффекта.
Задача №5
Рассчитать и построить зависимость распределения мощностей,
передаваемых в двухканальном направленном ответвителе P{(z)nP2(z)
при Д/? = 0; ^=41/01; а = 0,61/см. Определить длины направленного
ответвителя, обеспечивающие трехдецибельное и десятидецибельное
ответвления и критическую длину LKp.
Задача №6
На основе двухканального направленного ответвителя выполнен
модулятор-переключатель, в котором эквивалентный коэффициент
связи, определяемый разностью коэффициентов фазы ДД изменяется за
счет электрооптического эффекта (рис. 3.6). Определить связь между Д/7 и
длиной L (или &Р L), обеспечивающую коэффициент модуляции М=1 (т.е.
отключение второго канала).
Рис.3.6. Модулятор-переключатель на основе НО
59
3.3.2. Связь через торец ОВ, например, с ВОЛС реализовать очень
трудно из-за требований высокой точности фокусировки (менее 1 мкм). Кроме
этого, торец часто недоступен и связь удобнее производить через покровный
слой. Для эффективной связи при этом нужно обеспечить равенство фазовых
скоростей или коэффициентов фаз в ОВ и в покровном слое, т.е. рт2 = рт°^
(условие фазового синхронизма), но для поддержки поверхностных волн, т.е.
возможности работы ОВ необходимо, чтобы рт2 < Дт1, т.е.
knx >0“ >Ц, >кп2. (3.13)
Принцип работы призменных и решетчатых устройств связи основан на
том, что в ОВ моды распространяются под разными углами 0т. Так как
'‘хвосты” мод выходят за пределы ОВ, то вводить или выводить разные моды
оптического излучения нужно тоже под разными углами, но таким образом,
чтобы не нарушилось условие полного отражения.
3.3.3. Работа решеточных элементов связи, как и призменных,
основана на том, что каждая мода в ОВ распространяется под своим углом. Для
возбуждения или вывода определенной /и-ной моды необходимо обеспечить
условие фазового синхронизма, причем роль замедляющей системы играет
дифракционная решетка, расположенная в покровном слое.
В общем случае решетка представляет собой ряд параллельных
проводящих нитей, расположенных с шагом d (pnc3.6,a). Из теории
дифракционных и антенных решеток известно [21], что характеристика
направленности решетки описывается выражением
= = (3.14)
Nswy/fN 2
где£- коэффициент замедления; N - количество элементов. Условием всех
максимумов решетки является условие обращения в нуль знаменателя
1рм = »где ^0, ± 1, ± 2...-порядок дифракционного максимума (не-
главный максимум, q=± 1,2,...-побочные или дифракционные максимумы,
60
которые существуют при £ =0, если d > Л, а вообще при d > 0,252 ).
В случае ОВ, если п2-Ц то условие всех максимумов решетки записывается
по аналогии с антенной решеткой в виде
sinO^^qA/d, (3.15)
где /w-номер моды; ^-коэффициент замедления /«-ной моды. Угол
определяет резонанс /«-ной моды. Иначе говоря, решетка вызывает разложение
каждой моды в ряд пространственных гармоник по q. Так как для
всех мод различны, то с помощью решетки можно осуществить селекцию мод
на выходе или входе, ослабить основной и подчеркнуть любой дифракционный
максимум. Для погашения т-ной моды решетка выполняется резистивной. Так
как q может иметь разный знак, то можно менять направление распространения
высших гармоник. Подбором шага d и коэффициентов п0 и п2 можно обеспечить
вывод энергии как в покровный слой, так и в подложку в прямом или обратном
направлениях. На практике используются так называемые фазовые решетки,
сформированные изменением плотности или толщины материала. Например,
решетка реализуется модуляцией поверхности ОВ, т.е. поверхность делается
гофрированной на границах с покровным слоем или подложкой (рис.3.6,б,в). В
разных слоях ОВ волна излучается под разными углами
sin m^qX/d)/nh (3.16)
где /=0,7,2-номер слоя ОВ. При происходит
излучение в покровный слой и в подложку; при -
только в подложку в прямом направлении; при Х/(^ + Но)^d^A/lg+nJ в
2
подложку в обратном направлении. При малых отклонениях (a/h) «1
излучения из ОВ не происходит, но возможно изменение направления
распространения, т.е. с 0т=я/2 на 0т=-л/2 (эффект распределенного
зеркала) и получить при п2 = 1 преобразование моды с коэффициентом
замедления в моду с коэффициентом £у, связанные соотношением
фо ±^j=q^/d. (3.17)
На практике период d выполнить с высокой точностью трудно, поэтому в
небольших пределах изменяют угол падения а, т.е. вводят эффективный шаг
^эф -d/sina (рис.3.7,а). Этим способом можно преобразовать моду в
моду Н2 с КПД 80%. В обычном варианте КПД ввода-вывода не превышает
50%.
С помощью решетчатых элементов можно получить и много других
эффектов, например: эффект фокусировки при помощи нерегулярной решетки
61
(рис.3.11,6) и эффект направленного ответвления при помощи асимметричного
профиля (рис.З 11,в) (решетка с “оческом "№\1л“эше.чет”). В этом случае
возможно перераспределение энергии в подложку (/+)или в покровный слой
(/_) в зависимости от направления распространения энергии в ОВ с КПД более
95%.
а б в
Рис.3.7. Варианты решетчатых элементов связи
Техночогия изготовления решетчатых элементов сводится к маскированию
с последующим травлением, но разрешение масок имеет тот же порядок, что и
шаг решеток d ~ X Поэтому чаще используют оптический интерференци-
онный процесс (голографический), обеспечивающий d порядка Л видимого
диапазона.
Основные достоинства решетчатых элементов: они являются составной
частью волноводной структуры и эффективность их сопряжения остается
постоянной и не изменяется ст внешних условий (например, вибрацией), а.
кроме этого, их можно использовать в ОВ на ПП с большим и, для которых
трудно реализовать призмы.
Недостатками явчяется то, что из-за сильной зависимости параметров от
углов их нельзя использовать с расходящимися пучками ПП лазеров, а также
сложность изготовления и малый КПД ввода-вывода для симметричных
профилей.
Задача №7
Решетчатый элемент связи (рис.3.6.^) с периодом </=0,4 мкм,
расположенный на планарном ОВ из GaAs (/г, = 13,1), используе>ся для
введения излучения HeNe лазера (Л - 1,15 мкм ). Постоянная
распространения низший моды 0^3,6К. Определить порядок
дифракционного максимума и угол, который должен составлять луч
лазера с поверхностью ОВ для связи на этой моде. Определить //для
(случай распределенного зеркала).
3.3.3 Принцип работы суживающихся цементов связи основан на том.
что при уменьшении толщины ОВ ло размера, определенного отсечкой
62
энергия передается в излучательные моды,
клинообразный ОВ с уменьшающейся высотой
подложку (рис.3.13,а), а затем, например, в ВОЛС.
Например, применяется
(Х^) для ответвления в
прижим
а б
Рис.3.8. Суживающиеся элементы связи
КПД ввода при этом составляет 60-70%, остальная энергия излучается в
покровный слой. Аналогично возможен вывод энергии и в покровный слой, но
технологически выполнить сложнее.
Другой вариант связи ОВ с ВОЛС показан на рис.3.13.6. В этом случае
используется излучение при изгибе сердцевины волокна, который возникает из-
за точечного прижима. При диаметре сердцевины 2а=60мкм КПД~90%.
3.4. ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ СХЕМ
3.4.1. Разветвитель выполняется аналогично разветвителям СВЧ-
трактов (рис.3.9,а) на канальных ОВ. При большом количестве каналов
используется схема “ёлочки” (рис.3.9,б) при d, обеспечивающем отсутствие
связи.
3.4.2. Преобразователь мод (рис.3.9,в) обеспечивает преобразование
моды Н} в Н2, для чего используется два разветвителя, в одном из которых
увеличением длины обеспечивается противофазность колебаний между
каналами, а при их обратном суммировании получается мода Н2.
3.4.3. Кольцевой фильтр (рис.3.9,г) обеспечивает выделение одной
частоты /) из входного спектра //+/?+/}• Основой его являются два
двухканальных направленных ответвителя, LKt> которых выбрана для полной
перекачки энергии частоты/у. Резонанс частоты f, также обеспечивается длиной
кольца l^mAj (т-1,2,...).
3.4.4. Особо следует отметить волноводные линзы. Линзы позволяют
формировать нужный фронт волны, обеспечивать фокусировку и осуществлять,
например, пространственное фазовое преобразование Фурье, что широко
используется в обработке оптической информации (рис.3.10,а). Прямое и
обратное одномерные преобразования Фурье имеют вид
63
б в
Рис.3.9. Элементы интегральных схем
со 00
)= 5(')=^ js(a>)e-JMdt, (3.18)
-СО -00
где S((o) - спектр функции S(t). Например, если в одной фокальной плоскости
линзы поместить источник в виде S - функции или короткого
пространственного импульса S(t), то в другой фокальной плоскости получим
спектр этой функции S(a>) с равномерным распределением. Для минимизации
аберраций (квадратичных фазовых искажений) и комы (кубических фазовых
искажений) применяются двояковыпуклые апланатические сферические или
сфероидные линзы.
Одним из вариантов реализации линзы в ОВ является геодезическая линза
(рис.3.10,6), которая представляет собой углубление в подложке, заполненное
ОВ, которое обеспечивает более длинный путь для осевых лучей по сравнению
с периферийными. При Z>=3 - 7 мм реализуется /=5-10 мм.
Другой вариант - это дифракционная линза Френеля (рис. 3.10,в),
полученная нанесением на ОВ площадок с п3, обеспечивающих за счёт
расстояния Ьф компенсацию фазы в нечётных зонах и фокусировку или, с
допустимыми фазовыми искажениями, плоский фронт. Такая линза имеет г) <1,
но значительно проще в изготовлении. Линза является селективной, т.е.
узкополосной.
Брэгговская линза (рис.3.1 О^г) - это разновидность дифракционной, но при
использовании решетки с переменным периодом. В этом случае используется
дифракция Брэгга (толстая решетка, 1Б >ЬФ, см. п.р. 7.2), и фокусировка в
первом дифракционном максимуме.
3.4.5. Для оптической обработки оптической информации
используются свойства решеток и линз. Рассмотрим пример оптической
фильтрации. При этом и информация и фильтр представляются в виде
управляемых транспарантов (слайдов) (рис.3.11). Исходная информация
представляется в виде транспаранта (Xj, у2).
В фокусе линзы Л1из прямого преобразования Фурье получим
пространственный спектр этого транспаранта -пространственные
64
Рис. 3.11. Оптическая фильтрация
частоты). В этом же месте ставится транспарант, на каждом записана частотная
характеристика фильтра Наложение фильтра и спектра исходного
сигнала дает отфильтрованный спектр Т(£, 7?)//(£,;?). Линза Л2
обеспечивает обратное преобразование Фурье и в плоскости Я получим
отфильтрованный сигнал UD(xD,yD). Маска в виде непрозрачного экрана
работает, как ВЧ фильтр, в виде экрана с отверстием (диафрагмой) - как НЧ
фильтр, их комбинация представляет собой полосовой фильтр. На основе этой
схемы можно выполнить согласованную фильтрацию, коррелятор и т.д.
Например, для распознавания образа (слово на странице текста, объект на
карте, отпечатки пальцев и т.д.) в качестве фильтров могут использоваться
голограммы.
65
4. ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВОЛС
4.1. ОПТИЧЕСКИЕ РАЗВЕТВИТЕЛИ (ОТВЕТВИТЕЛИ)
Оптический разветвитель - это пассивный многополюсник с количеством
входов - пвх и выходов пвых (портов), обозначается - пвх х пвых. Оптические
разветвители бывают двух типов: симметричные (Х-образные\ например, 2x2,
обычно называемые направленными ответвителями (НО), и несимметричные
(Y-образные), например, 1x2. Все остальные - их комбинации, характеризуются
функциональным назначением.
Y-образные разветвитель для ответвления заданной части мощности
называется ненаправленным ответвителем или разветвителем Т-типа. а если
1х Лдь/х -звездообразным (обычно 1x2. 1x3, 1x4, реже на 5, 6, 7, 8, 9, выходов).
Разветвители бывают направленные и ненаправленные, спектрально*
селективные (мультиплексоры и демультиплексоры) и неселективные.
Параметры разветвителей рассмотрим на примере Х-образного 2x2 (рис.4.1,а б).
При подаче светового потока на вход 1- вход 4 развязан. Входы 1 и 4 -
входные, 2 и 3 - выходные. Коэффициент ответвления б?0 = 10 Р}/Р3 дБ,
коэффициент направленности ан - 10 tg Р} /Р^дБ (> 55дБ ) ; для Y-
образного НО ан =\MgP2lРу при подаче на вход - 2, вносимые потери
анн = 1 Mg (Р2 4- Р3 дБ « 0,16£.
Изготавливаются разветвители из многомодового градиентного или
одномодового ВС нужен правильный выбор по диаметру сердцевины.
Выполняются способом сварки с натяжением и контролем требуемого
коэффициента ответвления, определяемым LwH (рис.4.1,6).
Y-образный НО можно получить из Х-образного обрезанием и оплавлением
одного конца или сплавлением согласно рис.4.1,6.
На большее число каналов разветвители могут выполняться комбинацией
Y-разветвителей (рис.4.1 ,в,г) или с использованием линз и зеркал. На рис.4. |,е
показан один из вариантов звездообразного разветвителя со сферическим
зеркалом (1-вход, 2-просветвляющие покрытие, 3-стеклянный стержень. 4-
сферическое зеркало, 5-выходные каналы-до 20 каналов). Ответвители могут
также использоваться в качестве аттенюаторов.
Конструктивно разветвители могут выполняться в отдельном корпусе или в
трубке из керамики или инвара диаметром (3-4)мм л длиной (50-80)uw.
4.2. ОПТИЧЕСКИЕ АТТЕНЮАТОРЫ
Оптические аттенюаторы используются для уменьшения мощности и
66
Рис.4 I. Варианты схем и конструкций оптических разветвителей
могут быть фиксированными и переменными. Степень ослабления изменяется
за счет воздушного зазора между торцами ВС, смонтированных в оптических
разьемах (розетках). Фиксированные выпускаются на 5,10,15,20dZ>.
Переменные: ММ с пределами регулировки (0 4- 15)dZ>; ОМ-
(0 -г 20)дБ с точностью ± 0,5д/>. Например, выпускаются аттенюаторы
повышенной точности FC1APC с регулировкой поглощения в переделах
(0-г35)д5 и с обратным отражением - 60д5. Фиксированные аттенюаторы
(FM-адаптеры) используются при измерениях.
4.3. ОПТИЧЕСКИЕ МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ/ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРЫ И
ФИЛЬТРЫ
4.3.1. Оптические мулътиплексоръиЪемулътиплексоры (МП/ДМП) - это
устройства для объединения пространственно-разделенных оптических
информационных каналов с 2j...2wb один поток с общим направлением при
передаче и устройств, выполняющих обратную операцию, при приеме Они
применяются в системах связи с многомодовым уплотнением в волоконных ОУ,
локальных сетях и тд Они должны вносить малые потери и обеспечивать
высокую степень изоляции между каналами. В основу их работы положены
эффекты угловой дисперсии, интерференции и поглощения, чувст-вительные к
длине волны.
Условно МП/ДМП делятся на 2 типа:
1-тип - (обычные) для небольшого количества каналов (п < 16 каналов,
обычно п< 4 каналов) при разнесении соседних частот д/' > 200ГГи(длин
волн Дл >20ww) Они использовались для ВОЛС 1 и II поколений при
67
Л = 0,85л<ка/ и 1,Зл<км, Обозначаются, как CWDM (Coarse Wavelength Division
Multiplexing) или ГМРДВ - грубое мультиплексирование с разделением по длине
волны.
11а-тип-(плотные) - на большое количество каналов для /г=4, 8, 16, 32,64 с
Д/ = ЮОЛП/ (ДЛ = 0,4...1,6ял<). Обозначаются, как ЯКОЛ/или МРДВ.
Нб - тип - высокоплотные для п >64, Af £ 50ГГ1/(ДЛ < 0,4мм).
Обозначаются, как DWDM (dence WDM).
Бывают МП/ДМП с параллельным и последовательным разделением
каналов.
4.3.2. МП/ДМП 1-типа разработаны для старых ВОЛС с разделением,
2 = 1300мм и Я = 1550нм. Они работают на основе спектральной
чувствительности призм, решеток и многослойных пленок.
На рис. 4.2,а показан призматический демультиплексор. Достоинством
такого варианта является простота, а недостатками - большие габариты,
значительные потери и высокая стоимость.
На рис. 4.2,6,в представлены МП/ДМП на основе дифракционных решеток.
Наиболее распространенный вариант рис. 4.2,в. Угловая дисперсия в этом
случае dcp/dh = ^d2 -(2/2)2 , где d-шаг решетки - эшелета. Недостатком
является требование высокой монохроматичности источников излучения.
На рис. 4.2^,д,е представлены конструкции оптических фильтров,
комбинация из которых может работать как МП/ДМП.
В двухслойном интерференционном фильтре, показанном на рис.4.2^,
параметры слоев подобраны таким образом, что коэффициент отражения для
Ль составляет 0,9, а волна проходит почти без потерь.
Волоконные фильтры рис. 4.2,д,е работают, как решетки в режиме
распределенного зеркала для 2^, и пропускает без потерь остальные длины
волн. Решетки формируются или периодической модуляцией диаметра сердце-
вины, или продольным распределением n(z), которое записывается
ультрафиолетовым излучением в специальном волокне.
На рис. 4.2,ж показана более совершенная схема многослойного
пленочного интерференционного фильтра, выполненного на скошенном торце
ВС с толщиной слоев (0,025 + 0,5)2. Фильтр пропускает только 2,. Волна
Л^из направления 2 отражается и так же, как ^распространяется в
направлении 3, т.е. работает, как МП. При подаче спектра
направления 3, 2, проходит в направлении 1, а в направлении 2, т.е.
работает, как ДМП.
68
Ж
Рис.4.2. Варианты конструкций МП/ДМП 1-типа
При большем числе каналов применяется последовательное выделение всех
частот.
На практике многослойное покрытие наносится на торец волокна.
Российский фильтр такого типа для разделения =(1305± 0,005)/ши
Я, =(1552±0,005)нл<имеет потери не более 0,405 и перекрестное затухание
3005 (фирма AOFOT).
4.3.3. Для МП/ДМП II - типа в качестве дифракционной решетки
применена ее разновидность ~ эшелон Майкельсона. Классический эшелон
Майкельсона представляет собой ступенчатую призму из плоских пластин
(рис.4.3,а)
а б в
Рис.4.3. Конструкция МП/ДМП II - типа
69
В волоконно-оптическом варианте роль призмы играют ВС или ОВ (рис.
4.3,6). Так как коэффициент замедления решетки в данном варианте
£-ДФ/Д/»1 из-за большого ДФ, определяемого Д/, то проявляется
очень высокая угловая дисперсия для всех дифференциальных максимумов
порядка q
D = -1, (4.1)
dX dcosfp'*^ d
где ^>10000. Мультиплексоры, использующие фазовые решетки, называются
волноводными спектральными мультиплексорами (ВСМ) или волноводными
спектроанализаторами спектра (ВСА). Разрешающая способность ВСМ
представляется, как
л = (4.2)
ДЛ Л
где TV-число входов. Для получения равномерного распределения полного
светового потока ко всем ОВ нужен коллиматор (фокусирующее устройство).
Для объединения фокусирующего и диспергирующего элемента в одном
устройстве можно использовать корректировку длин всех ВС, а разветвление
выполнить планарным звездным разветвителем.
На рис.4.3,в показан наиболее распространенный вариант эшелона
Майкельсона на основе планарных ОВ или ВС. Пластина 1 играет роль
звездного разветвителя на 30-16 каналов. Пластина 2 вместе с волноводной
матрицей 3 играет роль диспергирующего и фокусирующего элементов.
Полуволновая пластина 4 из материала с двойным лучепреломлением (см. п.р.
7.2) обеспечивает поворот Ена 90° и нужна для компенсации отличия
коэффициентов фазы мод и Е} из-за имеющегося всегда дву-
лучепреломления ОВ. При ориентации Е под углом 45° набег фаз
выравнивается, так как пластина располагается в середине матрицы 3. Каждая
спектральная составляющая на выходе распространяется со своим
дифракционным максимумом, угловое расстояние между которыми очень
малое, а интенсивность заметна в пределах направленности элемента решетки
Д^00^2ЯД/. Вариант рис.4.3.г выполнен на подложке из Si с ОВ,
образованный слоем SiO2 на пластине 4,2х1,7си, и обеспечивает разделение 60
каналов.
Аналогичные МП/ДМП выпускаются с разносом ДЛ = (0.4 + 196)нм или
Д/ - (50 4- 200)ГГц на 8-48 каналов. Потери 6-9дБ при поляризационных
потерях <0.5дБ. Температурные изменения углов достигают 0.011 нм) град.
т.е. нужна стабилизация температуры с помощью микрохолодпльника или
70
подогрева с датчиком температуры.
Поэтому, хотя МП/ДМП являются пассивными элементами, они требуют
питания.
Существует вариант планарного эшелона Майкельсона с одной пластиной и
зеркалом, а также другие варианты МП/ДМП 11-типа, например, с вогнутым
зеркалом.
5. УСИЛЕНИЕ И ГЕНЕРАЦИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
5.1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
5.1.1. В первую очередь нас интересуют оптические переходы (см. п.р.
1.2), сопровождаемые излучением или поглощением фотонов. Возможны три
типа таких переходов: спонтанные, вынужденные с излучением и вынужденные
с поглощением. [19]
Самопроизвольные квантовые переходы частиц из возбуждённого
состояния в основное или другое возбуждённое состояние с меньшей энергией
называют спонтанными (рис. 1.3,а). При этом можно говорить только о
вероятности этих переходов Реп, которая не зависит от температуры и
пропорциональна кубу частоты Gb/j ~/3). Поэтому спонтанное излучение
заметно в оптическом диапазоне спектра в отличие от радиодиапазона. Так как
спонтанные переходы независимы друг от друга, то излучаемые фотоны имеют
различные фазы, направления распространения и поляризации. Иначе говоря,
спонтанное излучение, характерное для обычных (не лазерных) источников
света, является ненаправленным, неполяризованным и некогерентным.
Переход частицы из возбуждённого состояния в состояние с меньшей
энергией может быть ускорен внешним электромагнитным излучением, частота
которого удовлетворяет условию hfJK = Е ; ~ Ек- В этом случае квантовые
переходы и возникающее излучение называются вынужденными
(индуцированными). Характерной особенностью вынужденного излучения
является его полная тождественность внешнему излучению по частоте, фазе,
направлению распространения и поляризации, но оно имеет большую
интенсивность. Иначе говоря, в процессе вынужденных переходов происходит
когерентное усиление электромагнитного излучения, в результате чего
излучение становится более направленным, поляризованным и когерентным
(рис.5.1).
Возможны и обратные переходы Ek -*Ej, когда фотоны с энергией hfjk
исчезают. Такие переходы связаны с резонансным поглощением и называются
вынужденными переходами с поглощением.
Вид оптических спектров испускания или поглощения /=/(Я) атомов,
71
молекул, ионов определяется их энергетическими спектрами и внешними
факторами (температурой, полями и т.д). Для. атомов и ионов характерны
линейчатые спектры испускания из отдельных линий. Для молекул типичны
"полосатые” спектры испускания, состоящие из полос, охватывающих
интервал длин волн. Для твердых тел характерны сплошные спектры
испускания, что обусловлено, как большим количеством ионов, так и их
взаимным влиянием. Индивидуальность спектров разных веществ используется
в спектроскопии. Спектры поглощения газов, плазмы и твердых тел могут быть
линейчатыми, полосатыми и сплошными.
5.2. ШИРИНА И ФОРМА СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ
Понятие “монохроматичность ” условно, так как строго моно-
хроматических колебаний не существует. Реально вынужденное излучение
является “квазимонохроматическим”, т.е. имеет вид спектра со средней
частотой /о и шириной спектральной линии Af по уровню половинной ин-
тенсивности. Ширина спектральной линии излучения (усиления) A/у связана с
шириной энергетического уровня ДЕ, которая, в свою очередь, определяется
временем жизни частиц в возбуждённом состоянии г через соотношение
неопределённости ДЕ-г£й/2я’. Под временем жизни понимается время, в
течение которого населенность Nj возбуждённого уровня убывает в е=2,7...
раз. При этом Т ~1/Рс/т , где Рсп~ вероятность спонтанных переходов. На
основании вышеизложенного, минимально возможная (естественная) ширина
спектральной линии излучения (усиления) dfecm = &E/h = 1/2ят (рис.5.2,о).
Форма линий излучения и поглощения одинакова и описывается
нормированной функцией, 1(f), которая называется функцией Лоренца или
формфактором (кривая 1 на рис.5.2,б).
Минимально возможная A£cw наблюдается для невзаимодействующих
частиц и при /о =51014Гц может составить 10-ь 20 МГц, Для переходов с так
называемых метастабильных уровней (с которых переходы запрещены и
которые, будучи возбуждены, остаются такими длительное время) &fecm не
превышает нескольких сот Гц,
Реально спектральные линии значительно шире, поскольку существенную
роль, кроме спонтанных и вынужденных переходов, играют безызлучательные
релаксационные процессы. Например, соударения эквивалентны уменьшению
времени жизни частиц. Это однородные уширения, так как спектры всех частиц
уширяются одинаково. Форма спектральной линии при этом не изменяется.
72
Рис.5.1. Вынужденное излучение Рис.5.2. Спектральная линия
Если резонансные частоты разных частиц не совпадают, то уширение
называется неоднородным, например, доплеровское уширение (/ = /0(1 ± v/c))
в газах. В твердых телах неоднородное уширение связано, в основном, с
неоднородностью среды и тепловыми колебаниями решётки.
В результате, например, для неона при t >10(f С = 7,5 ГГц. При
неоднородных уширениях изменяется форма линий, которая принимает
характер функции Гаусса с менее выраженным резонансом (кривая 2 на
рис.5.2,б).
5.3. УСИЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Как указано выше, для усиления необходимы вынужденные переходы с
излучением. Для этого среда должна быть возбуждена подведением энергии
накачки.
До подведения энергии накачки (рис.5.3,а) все частицы находятся на
нижнем энергетическом уровне такое состояние называется
равновесным. При подведении внешней энергии накачки все частицы переходят
на верхний уровень (Nj >А^) (рис.5.3,б).
а б
Рис.5.3. Равновесное и инверсное состояния
73
Такое состояние среды называется неравновесным (инверсным) или
состоянием с “отрицатетьной" температурой и характеризуется плотностью
инверсной населенности д\ = лу-л*>о и коэффициентом квантового усиления
а =—— Bfk&N. (5.1)
с
где Bjk - коэффициент Эйнштейна, зависящий от среды, конкретного перехода
и равен вероятности вынужденного перехода в единицу времени при единичной
спектральной плотности излучения. Среда при этом называется активной.
Вводится также понятие коэффициента усиления активной среды
С(/) = -Ц^ = ехр[а(/)-/?]/, (5.2)
'ьх
где р- коэффициент потерь; / - продольный размер среды (рис.5.4).
lex
накачса
Рис.5 4. Активная среда
Рис.5.5. Динамическая
характеристика активной среды
Принцип квантового усиления, в отличие от классического, основан на
суммировании энергий множества идентичных колебательных систем* атомов,
молекул, ионов, те. каждый вынужденный переход сопровождается
выделением дополнительного фотона. Так как a(f) носит резонансный
характер, то происходит сужение спектра, а при I -> оо излучение становится
монохроматичным
С ростом интенсивности в процессе прохождения активной среды растёт
вероятность вынужденных переходов, но наступает момент, когда скорость
уменьшения населённости верхнего уровня Л'у станет больше скорости его
заселения под действием накачки, что уменьшает коэффициент усиления.
Предельной интенсивностью 1„р называется случай, когда а- Р. Путь в среде,
при прохождении которого интенсивность увеличивается до значения 11(ппр.
называется критическим /Л/, При этом зависимость носит нелинейный
74
характер (рис.5.5) и имеет три режима: линейный, нелинейный и насыщения.
Из-за нелинейного режима импульсные сигналы искажаются, длительность
короткого импульса при этом уменьшается, и это явление усиливается при
увеличении амплитуды входного импульса (за счёт резкого слада Vz). При
пологой форме входного импульса нелинейные эффекты приводят к его
расширению за счёт насыщения.
Динамический диапазон со стороны малых сигналов ограничен
собственными шумами, а сильных - эффектом насыщения.
В отличие от классического усилителя, в котором слабый сигнал
фактически управляет током активного элемента, в квантовом усилителе
усиление достигается в результате суммирования энергий излучения огромного
количества идентичных колебательных систем (атомов, ионов, молекул).
Активная среда состоит из нейтральной основы - матрицы (газ, жидкость,
твердое тело) и добавок - активаторов (замещающих ионов), создающих
дополнительные энергетические уровни для необходимых частот. При этом
радиус иона активатора должен совпадать с радиусом иона магрицы.
В твердых телах концентрация активаторов у, = (1019«г 102о)1/и, в газах
Л\ = (10 '-г 1017)1/,и, в полупроводниках = 1022 1/,и.
На практике квантовые усилители используются в СВЧ (мазеры), ИК и
видимом диапазонах в волокне из стекла с неодимом, тулием или эрбием
(воюконно-оптические усилите™, см п.р 5 14),
5.4. ГЕНЕРАЦИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Основой любого генератора является усилитель с поюжитечьной
обратной связью В случае квантовых генераторов обратная связь
обеспечивается оптическим резонатором, образованным обращёнными друг к
другу зеркалами (рис.5.6). Оптическое излучение будет поочерёдно отражаться
о г них и усиливаться при каждом проходе через активную среду, что
эквивалентно увеиичению её длины / Для вывода излучения одно из зеркал
делается полупрозрачным (коэффициент отражения р<1) Регулируя
коэффициент отражения, можно изменять величину обратной связи Лазер -
это генератор оптического излучения, принцип действия которого основан на
использовании вынужденного изучения (laser - английская аббревиатура
словосочетания light amplification by stimulated emission of radiation).
Если обозначить интенсивность начальной (спонтанной) волны /Иь то за
один проход у второго зеркала интенсивность будет /2 - Ло
Отраженная от второго зеркала волна /20 = 0^1- К первому зеркалу вернется
интенсивность /| = /2о е\р[(а -/?)/] = Р2h0 /7)2/]. Интенсивность
75
l
зеркало 1
р(=|
активная среда
Ц|3
зеркало 2
накачка
Рис.5.6. Генерация оптического излучения
отраженной от первого зеркала волны t щ-ррi=p]p2lio^xp\(a-P)2L\. Излу-
чение будет незатухающим, если /|0 < или р\р2 exp[(a-fl)2L]> 1. Отсюда
условие самовозбуждения (точнее баланс амплитуд)
Как известно из основ радиотехники, для самовозбуждения
необходимо еще условие баланса фаз. которое, в случае лазера, сводится к
ограничению на фазы коэффициентов отражения
arg рх + arg р2 = q = 0,1,2... (5.3,а)
Это условие обеспечивается при выборе расстояния между зеркалами, кратного
половине длины волны (с учетом замедления в активной среде), то есть зеркала
должны образовывать так называемый «открытый резонатор».
Так как а - ДМ, то условия возбуждения (5.3) выполняются при
некоторой пороговой плотности инверсной населенности &Nnop.
В зависимости от структуры энергетических уровней активная среда может
классифицироваться как двух (а\ трех (б), четырех (в) - уровневая и возможна
1енерация на любой из частот (рис. 5.7). Нужная частота выделяется
резонатором, однако, в двухуровневой среде излучение с частотой fx
оказывается невозможным при любой мощности накачки и при любом Л , так
как всегда N, < Nk . Реально для излучения п частот необходимо п+1 уровней,
но и +1 > 2.
5.5. ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ
5.5.1. Любой резонатор - эго колебательная система, в которой
возможно накопление энергии электромагнитных колебаний. Добротность
резонатора определяется потерями или полосой частот резонатора А/р
76
Е
б
в
а
Рис.5.7. Разновидности активных сред
(54)
&nom р
где Е)(М и Е„,т соответственно запасённая энергия и энергия потерь; f() -
резонансная частота. В резонаторе, в отличие от колебательного контура,
возможно бесчисленное множество резонансных частот, соответствующих
различным типам колебаний (мод).
В оптическом диапазоне использование объемных резонаторов,
применяемых на СВЧ, невозможно, так как объем резонатора V » 23. Это
приводит к резкому увеличению количества мод, расширению резонансных
линий и их перекрытию, а изготовление резонатора с размерами,
соизмеримыми с X, практически невозможно из-за технических трудностей.
Кроме этого, малые размеры резонатора требуют очень большого
коэффициента усиления среды и не позволяют получить достаточную
мощность излучения.
Рис.5.8. Открытый оптический резонатор
77
Выход был найден в 1958 г. изобретателями лазера (см. Введение) в
применении открытых оптических резонаторов. Простейший оптический
резонатор представляет собой совокупность двух плоских прямоугольных
зеркал 2а х 2Ь. расположенных строго параллельно на расстоянии L » Л (рис.
5.8). Такая конфигурация иначе называется резонатором Фабри-Перо.
Приближенно можно рассматривать такой резонатор как объемный, у которого
удалены боковые стенки. При этом плоская ЭМВ будет излучаться
(переотражаться) в конусе с углом, определяемым дифракционной
расходимостью зеркала 2(p0t5 ~ Л/2а, а часть энергии, не попадающая на второе
зеркало, является дифракционными потерями, в основном, высших мод. При
этом происходит «естественный» отбор тех мод, у которых максимум
амплитуды находится в центре зеркал.
В открытом резонаторе при наличии дифракционных потерь не могут
существовать истинные моды типа стоячих полуволн в объемном резонаторе.
Поэтому их называют «квазимодами» или модами открытых резонаторов. При
этом поле всех квазимод близко к поперечному (Т - тип), сконцентрировано
вблизи оси Z и спадает до нуля на периферии. Задачи определения
распределения поля на зеркалах решаются методом последовательных
приближений при начальном произвольном (лучше одномодовом)
распределении. Процесс расчета соответствует процессу установления
стационарных колебаний в оптическом резонаторе (примерно 200 проходов).
Поскольку высшие моды рассеиваются, то при любом первоначальном
амплитудно-фазовом распределении в установившемся режиме поперечное
распределение становится спадающим к краям тем сильнее, чем больше длина
резонатора (гауссовым). Поэтому расходимость луча лазеров с большим
размером L-резонатора определяется не поперечным размером резонатора, а
его эффективным радиусом а^ зависящим от длины.
5.5.2. В объемном прямоугольном резонаторе с размерами axexL
образуются частоты
где т, п, q - количество стоячих полуволн, укладывающихся по размерам а, в,
L, причем эти числа имеют один порядок.
В открытых резонаторах L » X и поэтому q» т.п. При а = в, разложив
(5.5) в ряд, получим
2 7^
, с q 1 т +п L
2[L + ,
(5.6)
2 2
а при условии т + п<<q
78
/ e£9 (5.7)
Jmnq 2£ v f
Набор этих частот называется продольными или аксиальными модами.
Спектр продольных мод (имеющих одинаковое поперечное распределение, т.е.
с одинаковыми т, п) эквидистантен и разность частот соседних продольных
мод
(5.8)
где q - количество стоячих полуволн вдоль продольной оси Z. В пассивном
открытом резонаторе спектр продольных мод можно считать бесконечным.
Моды с разными индексами /и, п и одним q различаются распределениями в
плоскости х, у и называются поперечными или неаксиальными. При этом т.п-
число узлов ЭМП вдоль координат х, у. Разность частот соседних поперечных
мод
46» = Z»+I -fm = 46,(m+|]/(8Л>х)
46. = /»+1 - f„ - 4^+
(5.9)
а
где —;
в2
=---- - числа Френеля (числа зон Френеля, видимых на
4Л£
одном зеркале из центра второго).
Таким образом, каждой поперечной моде соответствует бесконечное
множество продольных, отличающихся числом q. При одном q и разных т. п.
при условии /л2+л2 -const. моды вырождены по частоте. В общем случае
спектр резонатора состоит из ряда частот аксиальных мод 7^, около которых
группируются частоты более высоких поперечных мод.
Условно структура поперечных мод различных типов показана на рис. 5.9.
Мода Та, является основной, а остальные - высшие. В отличие от СВЧ-
резонаторов эти структуры (распределение амплитуд) можно наблюдать
визуально, что условно показано на рис. 5.10, где заштрихованы области с
увеличенной интенсивностью.
В случае активного резонатора, внутри которого находится активная среда,
резко увеличивается добротность Q-------- (уменьшается полоса частот)
РА
каждой моды.
Например, если для пассивного резонатора dfp = \+\ЪМГц, g = 106+107,
то для активного теоретически dfp »1 Гц, Q = 1013 -г-1014.
79
Рис.5.9. Спектр частот резонатора
Gjo Т,о То
Рис.5.10. Структура поперечных мод открытого резонатора
Таким образом, спектр излучения лазера обусловлен свойствами как
резонатора, так и активной среды (рис. 5.11).
На практик теоретическая полоса частот не достижима из-за вибраций,
тепловых деформаций и спонтанного излучения. Реально возможно получить
Д/^ЮОЛ/ f^L = io’,2-rio'3,0 = 1OI2*1O’J- в обычных не лазерных
источниках светофильтром можно добиться ~ > 10"6,<5 < 106.
5.6. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ
Различают спектральные и временные режимы работы лазеров.
80
Спектральные режимы:
Многомодовый - набор нескольких поперечных мод при большом
количестве продольных. Этот режим легче всего реализуется и обеспечивает
наибольшую излучаемую мощность (рис. 5.12,а);
Рис.5.11. Частотные параметры активной среды (а), спектр частот пассивного
резонатора (б) и спектр излучения активного резонатора (в)
Одно.модовый - набор частот с одинаковым поперечным распределением
при нескольких продольных (например, Т(1>о,я). Этот режим обеспечивает
минимальную расходимость излучения (рис. 2.12,6). Для полупроводниковых
лазеров в ВОЛС этот режим иногда называют многомодовым.
Одночастотный - одна спектральная линия, соответствующая
единственной продольной моде (рис. 2.12,в). Этот режим наиболее
предпочтителен для оптической связи, обеспечивая максимальное количество
передаваемой информации. Для полупроводниковых лазеров в ВОЛС этот
режим иногда называют одномодовым.
Нужный режим обеспечивается параметрами, как резонатора, так и
активной среды.
Временные режимы:
Непрерывный - сложно обеспечить требуемую высокую скорость нагом ки и
охлаждение активной среды;
Импульсные: свободной генерации (режим нерегулярных пульсации- - в
основном реализуется в твердотельных лазерах, модулированной добром*, ми
в
Рис.5.12. Спектральные режимы работы лазеров
(модулятор внутри резонатора) и разгрузки резонатора (модулятор за предела-
ми резонатора).
Задача № 8
Оценить частоты продольных и поперечных мод прямоугольного
открытого активного резонатора с размерами 2ax2exL = 0,01x0,01x1м,
длина волны X = 1мкм по общей формуле и по формулам для разности
частот. Построить спектры пассивного и активного резонатора (т, п = 0,1,
2) при ширине спектральной линии активной среды (Не/Ve) Af - 1ГГц и
пояснить режим работы лазера. Определить добротность основной моды
резонатора при полосе частот “ /00 Гц.
р
5.7. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛАЗЕРОВ
Лазеры классифицируются по следующим признакам:
- по агрегатному состоянию активного вещества (газовые, жидкостные,
твердотельные, полупроводниковые).
- по методу накачки (химические, газодинамические, газоразрядные,
инжекционные, с оптической накачкой и др.);
82
- по временному режиму генерации (непрерывные, импульсные, импульсно-
периодические);
- по частотному режиму генерации (одно- и многомодовые, одночастотные);
- по уровню генерируемой мощности (энергии) излучения;
- по эксплуатационным параметрам.
Параметры лазеров также классифицируются по различным признакам:
- энергетические (мощность излучения Ргдля непрерывных лазеров, энергия
излучения Еи для импульсных, средняя мощность Рср для импульсно-
периодических лазеров, долговременная и кратковременная нестабильность
мощности излучения; Для ВОЛС мощность излучения часто указывается в дБ
(децибелл относительно [мВт)
- пространственно-энергетические (диаметр луча 2а и расходимость
лазерного излучения 2$0 5, распределение интенсивности в поперечном
сечении луча);
- временные (длительность импульса rw, частота повторения Fu или период
повторения импульсов Ти);
- спектральные (длина волны X или частота /, ширина спектральной линии
излучения /_\4, модовый состав излучения. нестабильность частоты во времени
Уст/Л) ”ДР );
-эксплуатационные (КПД лазера, потребляемая мощность Рп()тр_ мощность
системы накачки Рн. время готовности лазера к работе 1гпт, массогабаритные
характеристики, срок службы, расход газов, воды, стоимость и т. д.).
5.8. ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ОДНОРОДНЫХ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Возможность вынужденного испускания в полупроводниках (ПП) впервые
обоснованна Басовым Н.Г. и др. в 1956-60 гг., а экспериментально доказана в
1962 г. Создание полупроводниковых лазеров (ППЛ) позволило значительно
уменьшить размеры и массу лазеров, повысить их КПД путем прямого
преобразования электрической энергии в световую и использовать хорошо
развитую технологию полупроводникового производства.
В ППЛ активным элементом является полупроводниковый (ПП) кристалл,
возбуждаемый либо инжекцией носителей в область р-п перехода
(инжекционные ППЛ). либо пучком высоких энергий (ППЛ с электронной
накачкой), либо электрическим разрядом с лавинным пробоем (стримерные
ППЛ). либо оптическим возбуждением.
Основным материалом для ППЛ являются прямозонные ПП, к которым
83
относятся двухкомпонентные соединения типа АтВ*: GaAs, InP',
трехкомпонентные (GaAlAs) и более сложные соединения.
Особенностью ППЛ является использование для лазерной генерации
вынужденных переходов между достаточно широкими зонами энергетических
состояний, которые образуются в ПП из-за большого количества густо
расположенных энергетических уровней. При этом рассматривают валентную
зону (с меньшим значением энергии), зону проводимости (с большим значением
энергии), и запрещенную зону (расположенную между ними). Такая
энергетическая структура обеспечивает высокую вероятность излучательных
переходов и максимальное значение коэффициента усиления G благодаря
высокой концентрации активных центров 7V> 1022 1/jw, что обеспечивает
выполнение условия само-возбуждения в активных средах очень малой длины
(не более долей мм), но при этом наблюдается большая расходимость и малая
мощность излучения Рг.
Для усиления света необходимо состояние инверсии, т.е. чтобы
концентрация электронов вблизи «дна» зоны проводимости Ес была больше их
концентрации вблизи «потолка» валентной зоны Ev (Nc>Ny). что
обеспечивается накачкой. В идеальном случае это происходит, когда наступает
вырождение, т.е. все нейтральные атомы ионизированы.
Е* Е <
F,
Е
Е A£uv F;
Е Е» ♦ Я-* ¥. + *' +'
F,
а б
Рис. 5.13. Равновесное (а) и инверсное (б) состояния собственного
полупроводника
На рис. 5.13 штриховка показывает области энергии, занятые электронами.
На энергетических диаграммах, кроме уровней зоны проводимости -Ес,
валентной зоны - Ev вводится понятие уровня Ферми F. В случае собственного
ПП (без примесей) этот уровень Ft для ПП в равновесном состоянии
соответствует вероятности заполнения его электронами Р=*0,5. При
температуре, чуть выше нулевой (7>0). он находится в середине запрещенной
84
зоны. При этом вероятность заполнения его дырками тоже 0,5, так как имеет
место соотношение N* = N3 -N ч •
В инверсном состоянии для электронов и дырок получаются разные уровни
Ферми: F3- это наивысший уровень, который могут занимать свободные
(подвижные) электроны, a FJ(- наинизший уровень, который могут занимать
свободные дырки (F3 и FJf зависят от населенности N3 и 1Уд, т.е. уровня
накачки и температуры).
Длина волны, которая излучается при переходе электрона с верхнего
уровня на нижний, определяется формулами для энергии фотона (1.3-1.4) и в
случае полупроводника определяется шириной запрещенной зоны , т.е.
Я[л<юм] = 1,234/ДЕСУ[эВ] 1э5 = 1,6-10’19Дж. При этом условие инверсии
можно представить как
Гэ-Гд>ДЕ. (5.10)
Для облегчения условия вырождения электронов в зоне проводимости и
дырок в валентной зоне, и уменьшения ширины запрещенной зоны в ПП вводит
примеси (для и-типа - доноры, для р-типа - акцепторы), которые являются
основными носителями. Энергетические диаграммы на рис.5.14 и далее
представлены для равновесного состояния при низких температурах без учета
неосновных носителей. Неосновные носители могут изначально присутствовать
в ПП из-за недостаточной его очистки и возникать в результате ионизации
атомов ПП из-за внешнего воздействия. При этом основными носителями
считаются те, которых больше.
Несмотря на большую населенность, например, электронов в зоне
проводимости ПП л-типа электроны не могут рекомбинировать, так как в
валентной зоне нет дырок.
'Нет дырок Е*
ДЕ
F. F.
F. * £( 4. ♦ * ♦
». F-
р - тип Р*
-г— —ь
Е
F,»
г- ' £ ) Е.
Fi»
Е» .. .. Е
нет электронов
п - тип л4
Рис. 5.14. Примесные полупроводники
85
В примесных ПП появляются дополнительные уровни, примесные запрещенные
зоны и уровни Ферми F3 и Рд (р* п п* - вырожденные ПП с очень большой
концентрацией примесей). Для определения длинноволновой границы
излучения примесных ПП в прежних формулах нужно А£сг заменить на
ЬЕД или Д£э.
В однородных ПП кристаллах возможны следующие виды накачки:
- электронная накачка пучком быстрых электронов (в вакууме);
- электрический разряд с лавинным пробоем;
- оптическое возбуждение.
Под действием накачки атомы в валентной зоне ионизируются, плотность
инверсной населенности AN = Nc - Nv изменяется и среда становится
активной, т.е. возникает усиление, а при наличии обратной связи - генерация.
Достоинствами однородных ПП являются:
- возможность использования ПП, для которых не разработана технология
получения р-л-переходов и возможна генерация в большом диапазоне
Л = (0,3-И00)л/кл< и значительных мощностей (до 106Вл? в импульсе).
Недостатки:
- необходимость вакуумирования объема, охлаждения, сложность системы
питания и низкий КПД. Эти недостатки связаны с тем, что в однородном ПП
невозможно одновременно обеспечить вырождение электронов и дырок.
В системах связи такие ППЛ не применяются.
5.9. ИНЖЕКЦИОННЫЕ СВЕТОДИОДЫ НА ОСНОВЕ
ГОМОПЕРЕХОДА
Для одновременного вырождения электронов и дырок в равновесном
состоянии логично применить р-п переход. Светодиод (СД) с р-п переходом
на одном материале называется гомосветодиодом. В этом случае ширина
запрещенной зоны в п и р областях одинакова! В равновесном состоянии
уровень Ферми общий для р и л-областей.
На рис. 5.15 показаны энергетические диаграммы гомоперехода из
вырожденных ПП без накачки (верхние диаграммы) и с накачкой (нижние
диаграммы). Заштрихованы области, занятые электронами.
Без накачки электроны и дырки не могут рекомбинировать, так как в
одиночном ПП л-типа в валентной зоне нет дырок, а в р-л-переходе электроны
не могут подняться, на высший уровень. Между р и л-областями возникает
энергетический барьер ЕБ = qUb(UБ- барьерная разность потенциалов).
86
k нет электронов:..........
i !
i : \Et~Utq
Е*е ® ф ® е Ф\ \ ; I
; д с«
Et 1^"
\ : ]F,~Ff. = 0
........;....\----i——Е.
5-Юшгм
Рис. 5.15. Энергетические диаграммы гомоперехода
При подведении прямого напряжения энергетический барьер
= q(UБ -U) уменьшается. Электроны опускаются на нижний уровень (в
области d), а дырки - на верхний (для них это состояние с меньшей энергией). В
первом приближении плотность инверсной населенности &N = Nc-Nv не
изменяется при подаче прямого напряжения, так как задается примесями и
условие инверсии в этом случае выражается, как
ДЕСГ <F3-Fa , (5.11)
где &ECV одинакова в п и р - областях и не зависит от напряжения.
При уменьшении потенциального барьера электроны и дырки
устремляются в область d, где рекомбинируют с выделением кванта энергии,
т.е. излучением и р-п переход является светодиодом (СД). Частота (длины
волны) излучения определяется известными соотношениями hf = &ECV
( Л[мкм\ = 1,234/Д£СК [эВ] ).
87
СД является инжекционным, так как электроны и дырки под действием
прямого напряжения как бы впрыскиваются (инжектируются) в активную
область р-п перехода d. Однако часть электронов проскакивает р-n переход и не
каждый переход сопровождается излучением. Это явление и другие виды
потерь оцениваются квантовой эффективностью, которая в гомоСД составляет
(0,1 •$!)%.
* ^фотонон <<: 15 (5.12)
1 N
ЭЛЕКТРОНОВ
Такие гомоСД могут работать только при очень низких температурах
Т<4К. При повышении температуры Т>Т1К уровни Ферми и Ev
повышаются, и в валентной зоне не оказывается места для дырок. Поэтому
сейчас гомоСД практически не применяются.
5.10. ИНЖЕКЦИОННЫЕ СД НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОПЕРЕХОДОВ
Гетеропереход - это р-п переход на основе разных материалов (с разной
ДЕСГ). Основной целью при этом является повышение квантовой
эффективности.
Большой вклад в создание теории и практики изучения гетероструктур внес
российский ученый Алферов Ж., начавший работы в этом направлении в 1963г.
и получивший за них Нобелевскую премию в 2000г.
Используются гетероструктуры, содержащие несколько переходов
наиболее простыми из которых являются двойные гетероструктуры (ДГС),
которые могут быть односторонними и двусторонними.
На рис. 5.16 показана простейшая односторонняя АГС, ей энергетическая
диаграмма, распределение п(у) и мощности излучения PL по слоям
(рис.5.16,а) и двусторонняя ДГС с распределением Ръ по слоям (рис.5.16.6).
Создаются такие структуры технологией эпитаксиального наращивания.
Инжектированные в p-область электроны удерживаются потенциальным
барьером р — р\ поэтому область инжекции смещается в p-область. Так как
p-область более широкозонна, то в ней нет потерь, а различие коэффициентов
преломления обеспечивает оптический волновод, что приводит к
распространению в нем генерируемого излучения без потерь.
В видимой области, в основном, используются в качестве основы
двухкомпонентные прямозонные ПП GaAs и 1пР с добавками. В них электрон в
зоне проводимости не сталкивается с узлами решетки.
В ИК области большое распространение получили 3- и 4- компонентные
соединения : GaAs с добавками In, Р. Sb. Для их описания используется такая
88
формазаписи - AlxGax_xAs, где
0<х<1.
х-доля компонента (молярная масса),
/ п ///
п р р'
Рис. 5.16. Односторонняя и двусторонняя гетероструктуры
дгс
3-компонентные структуры используются для Л < 1мкм .Для Л > \мкм
используются 4-компонентные соединения на основе 1пР вида
In xGa}_xAsyP\_y. Слои с разными х и у имеют разный коэффициент
преломления и разный тип проводимости. Применяются, как ДГС, так и
структуры с большим числом слоев.
Возбуждение неравновесного состояния обеспечивается инжекцией
носителей через р-п переход в направлении высокой проводимости. При
большой концентрации примесей в /7-области (и+) достигается высокая
эффективность излучения, хотя часть электронов всегда рекомбинируют
безызлучательно.
На рис. 5.1показана простейшая конструкция гетероСД. Такой СД почти
не обладает направленностью и его можно считать Ламбертовским источником
(Z(0) = cos#). Для него 20О5 10° во всех плоскостях, при №4=0,1-0,15
=—(17ч- 20)б)Я. Для повышения используют специальные типы
СД: СД с поверхностным излучением (рис.5.16,6) и СД торцевого типа (рис.
5.17л).
У СД рис.5.17,6 г]нн - -(144 20)дБ, ширина спектральной линии
89
Рис.5.17. Конструкции гетеросветоводов
= 40/см при А = 0,85мкм; 20о5 % 120°, Л(0,01 +
(-20 -10)д2ш. Мощность излучения у СД торцевого типа в 2 ч-5 раза
меньше, чем у поверхностного, но меньше и потери на ввод цнн = -(12-Нб)оЬ::
Pv = (1 -5-100)мВт; I = (100 -г 200).иЛ; = ^нм на = 13-ики и
ДЛЮРЦ -40н.м на ДА = 0,85.wcw. На рис. 5.18,а показаны ватт-амперные
характеристики двух типов СД. Участок ограничения рх(/я) связан с
перегревом кристалла.
Рис. 5.18. Ватт-амперные характеристики (а), схема включения (б) СД и
конструкция суперлюминесцентного гетероСД (в)
Срок службы СД ограничен деградацией кристалла под действием
температуры и составляет 104 106час(\О5 час = 1 \,6лет).
На рис.5.18,б показана упрощенная схема включения СД. Из-за малого
RHX нужны низкоомные транзисторы. Реальные схемы для
FU(),( > 1 ООмГц сложнее и включают цепь стабилизации режима и цепь ОС.
уменьшающую нелинейности. Используются СД для аналоговых ВОЛС при
90
коротких и внутриобъектных линиях.
Чаще применяются суперинжекционные (суперлюминесцентные) СД с
узкой контактной полоской (рис. 5.18,в). В этом случае из-за высокой
концентрации в активной области частично вынужденное излучение с меньшей
расходимостью и большей Pz.
Достоинства гетероструктур - уменьшение потерь из-за инжекции из
широкозонного слоя в узкозонную, образования ОВ (уменьшается рассеивание
света) и того, что электроны не проскакивают активную зону.
Достоинства СД: малая стоимость, большой срок службы, они не требуют
стабилизации температуры, хотя мощность излучения с ft = 150,мВти при
Т = 17К падает до Я = \мВт при Т - ЗООЛ*. Реально используются при
ft > 0,025л/Вт; В < 155Мбитп!с в коротких ВОЛС с / = 15 4- 20км.
5.11. ИНЖЕКЦИОННЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ДИОДЫ
Лазерные диоды (ЛД) отличаются от СД наличием зеркал - отшлифованных
или сколотых торцов торцевого суперинжекционного СД
(коэффициент отражения р < 0,13) (резонатор Фабри-Перо с двойной
гетероструктурой и длиной L) (рис. 5.19).
Сужение ширины контактной до полоски Ь = (3 + $)мкм увеличивает
коэффициент усиления, уменьшает ток накачки, облегчает обеспечение
одномодового и одночастотного режимов, улучшает Г)нн при связи ЛД с ОМВС
и улучшает теплоотвод.
Рис. 5.19. Конструкция ЛД
Рекомбинация носителей возникает вблизи плоскости перехода и в самом
переходе толщиной =10#лг4- I.wkw. Поверхности неизлучающих граней
делаются матовыми. При этом возникает вынужденное излучение.
91
Используются 3- и 4- компонентные твердые растворы. В наиболее
совершенных ЛД с очень малой толщиной активного слоя (с/<10аш)
наблюдаются более сложные квантовые эффекты и такие ЛД называются ЛД с
квантоворазмерной структурой. Выполняются такие структуры технологией
эпитаксиального наращивания.
При d = (0,01 -ь\)мкм существует только одна поперечная мода, т.е.
возникает одномодовый режим (ОМЛД). Однако в отличие от других типов
лазеров из-за дисперсии и неоднородности коэффициента преломления ПП
спектр ЛД неэквидистантен. Важной характеристикой ЛД является ватт-
амперная характеристика - зависимость мощности излучения РЕот тока
накачки 1Н (рис.5.20.я), которая имеет два примерно линейных участка.
5.20. Ватт-амперная (а) и вольт-амперная (б) характеристики ЛД
При малых тока 1Н возникает спонтанное излучение (немонохроматичное,
ненаправленное, некогерентное), что характеризует светодиодный режим. При
больших токах излучение становится более монохроматическим, направленным
и когерентным, что характеризует вынужденное излучение и лазерный режим.
Границей между этими режимами, при которой усиление равно потерям,
является пороговый ток IПОГ.
lnoP=S(pz+-tn-^)-^—, (5.13)
П 44 L H'GCf)
где S- площадь перехода. Д.- суммарные потери. L- длина перехода (и
резонатора), р - коэффициент отражения зеркал, G(f) - коэффициент усиления
среды. А- коэффициент, связанный с размерностями.
Первые ЛД строились на основе гомоперехода, в котором нет ограничений
области инжекции и нет разницы коэффициентов преломления - нет ОВ, и
поэтому существует большое рассеяние излучения.
92
Использование гетероструктур позволило уменьшить пороговый ток в 20
раз.
В современных “полосковых” ЛД (с Ь = 3 + 5.мкм) пороговый ток
/ПОР=(20-И00>4.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) ЛД, так же как и СД (рис.5.20,б)
примерно линейна до отрицательного напряжения отсечки 0,9-ИВ, прямое
напряжение С/пр <ЗВ; Я«(2*9)йм; <0,1Вти в непрерывном режиме при
р < 50%. Узкая полоска обеспечивает повышение максимальной частоты
модуляции током накачки fc(tMOJl > 10’9<?).
Расходимость излучения определяется формой и размерами поперечного
сечения активной области, т.е. «(2ч-10)° ;20±|Ш7 «(30-ь 60)’.
ЛД могут быть как многомодовыми, так и одномодовыми и
одночастотными. Температурная нестабильность частоты определяется
температурной нестабильностью показателя преломления материала п = f(T)
и в самых лучших ЛД составляет 0.1 нм/К. Поэтому при увеличении
1^увеличивается в небольших пределах Л, что используется в
перестраиваемых ЛД.
При изменении температуры меняется характеристика (In),
уменьшается и увеличивается /да/,(рис.5.20,а).
При внутренней модуляции током накачки получим AM (или ее
разновидности ЧИМ. ШИМ). При этом максимальная частота модуляции
(отсечки) в упрощенном случае может ограничиваться как параметрами
перехода, так и монтажными реактивностями CMLM:
fn = ); /, = 1/(2лС,RP), (5.14)
гжС - емкость p-77 перехода, Rf> - распределённое сопротивление
тоаопровода.
Из этих значений выбирают наименьшее, но если fc >\^ГГц, то этими
формулами пользоваться нельзя.
Более сложные формулы учитывают зависимости G(f), N(f) и время жизни
фотонов (следовательно, и Iн ), так как может возникнуть резонанс, что
роовжтся как “звон" - осцилляции в форме оптического импульса l(t).
При внутренней модуляции короткими импульсами возникает так
пымемое явление 'чирпсГ- паразитной внутриимпульсной частотной
ммртштп из-за изменения п и L от температуры во время импульса I н , что
приводит к увеличению дисперсии. Поэтому при повышении частоты
модуляции используются внешние модуляторы
Недостатком ЛД с конструкцией рис.5.19 является малый срок службы из-
за деградации зеркал - появления на них микротрещин, что приводит к
постепенному уменьшению мощности излучения.
Задача №9
Рассчитать и построить спектр частот, определить расходимость луча
ПП инжекционного лазерного диода из Ga<4s (£ = 13,1; ДЕ = 1,424 эВ) с
размерами кристалла axbxc=} 20x120x120 мкм; ширина р-п перехода <7=13
,ч/си, ширина спектральной линии активной среды ДЛ = 4ял/. Уточнить
длину резонатора L.
Задача №10
Рассчитать длину излучаемой волны, размерами активной области р-п
перехода, значение порогового тока, частоту отсечки модуляции лазерного
диода из GaP (ЛЕ = 2,24 эВ; £ = 11,1) если измеренная расходимость в
двух плоскостях 2#0 5х = 42°; 20о 5// = 3°, размер кристалла в плоскости
перехода L •б/ = 1О,5 1О,5л<ки, суммарные потери =5Ю31/л<;
коэффициент усиления активной среды G-Мм/А; монтажные
реактивности Слг =4лФ; — ЗнГ; емкость перехода С, =25 пФ;
сопротивление токопровода Rp=3Om; коэффициент
пропорциональности при расчете порогового тока А = 102.
5.12. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ
5.12.1. Одномодовые ЛД с резонатором Фабри-Перо (в иностранной
литературе многомодовые - MLM [17], конструкция на рис.5.19) имеют
типичный спекгр продольных мод, показанный на рис.5.21
Полная ширина спектра может составлять дя = (4 * 5)нм .
Рис.5.21. Спектр одномодовою ЛД
94
При изменении внешних условий, в том числе отражений от разъемов,
изменяется распределение мощности по модам, что с учетом хроматической
дисперсии приводит к возрастанию уровня шумов.
5.12.2. Одночастотные ЛД (в иностранной литературе одномодовые-
SLM) имеют повышенные потери для высших продольных мод резонатора за
счет дисперсии. Мощность боковых мод меньше 1% от основной, и у хорошо
настроенного ЛД меньше ЗОдБ.
5.12.3. ЛД с распределенной обратной связью (РОС) - рис. 5.22,а и с
распределенным брегговским отражателем (РБО) - рис. 5.22,6 используют в
качестве зеркал дифракционную решетку в режиме распределенного зеркала.
Р
П
О 6
Рис.5.21. РОС и РБО - лазерные диоды
В случае РОС (DFB) активная область ЛД совпадает с решеткой. В
случае РБО (DBR) решетка находится за пределами активной области, что
проще технологически, но увеличивает габариты ЛД. При этом одно зеркало
может быть обычным, а другое - в виде решетки. Достоинства таких
конструкций - меньшая ширина спектральной линии ДА, так как зеркала
селективные и большой срок службы из-за того, что мощность “размазывается”
по распределенному зеркалу и явление деградации зеркал возникает
значительно позже.
Недостатком этих ЛД является высокая чувствительность к
дополнительной обратной связи за счет отражений. Нужно применять
специальные меры для согласования - просветление скошенного торца ВС
(р * 10 4) или оптические вентили (изоляторы) (р * I О’6 -г 10’8). В
результате эти ЛД имеют самую меньшую ДА = (0,1 0,2)и.м
(Д/=(25 + 50)ГЛ/).
Если же дополнительно применить специальную структуру с
множественными квантовыми ямами (MQW), то возможно получить ширину
Д/ в несколько сот кГу.
5.12.4. Для систем спектрального уплотнения WDM и DWDM с интервалом
95
между каналами Af = (50-г 100)77^ внутренняя модуляция током накачки
невозможна из-за эффекта “чирпа”, и так как требуется долгосрочная
нестабильность АЯ^0,01нм. Поэтому используются ЛД с РОС (DFB) с
внешним модулятором. При этом используются следующие типы оптических
модуляторов (см. п.р. 7.3):
- Маха-Цандлера; при В = (60 + 75)Гбит/с с коэффициентом модуляции
М=(13*20)д£;
- электрооптические, например, на основе электрооптических полимеров при
В <60 Гбит)с\
- с использованием электрической адсорбции при В = (20 + 60)Гбит1с,
М = 15дБ
5.12.5 . ЛД с вертикальной резонаторной полостью и излучающей
поверхностью (VCSEL) представляет собой структуру, аналогичную СД
поверхностного типа (см. рис. 5.23), в которой роль распределенных зеркал
играют ряд чередующихся слоев 1, 2 с разным коэффициентом преломления,
отделённых от активной области - 3 изолирующими слоями - 4.
Рис. 5.23. ЛД с вертикальной Рис.5.24. ЛД с внешней резонаторной полостью
резонаторной полостью и излучающей поверхностью
Толщина кристалла £«1л<км, диаметр активной области,
обеспечивающей расходимость -d = (2 ч- 3)мкм.
Такие структуры могут работать, как в многомодовом, так и одномодовом
96
режимах. Электрические параметры (и Д2) эгих структур несколько хуже,
чем в ЛД с РОС и РБО, но они намного дешевле. Кроме этого, VCSEL имеют
симметричную расходимость, что облегчает их стыковку с ВС без линз.
На основе структур VCSEL выпускаются матрицы из нескольких ЛД с
разной Л для систем спектрального уплотнения WDM.
5.12.6 . ЛД с внешней резонаторной полостью (ECL) (рис.5.24) позво-
ляет производить механическую перестройку изменением угла поворота ф
подвижного зеркала относительно переотражающей дифракционной решетки.
Конструкция повторяет схему Фабри-Перо, но резонатор состоит из зеркал №1,
№2 и дифракционной решетки. Длина волны зависит от совокупности
факторов: полосы усиления активной среды, дисперсии решетки и структуры
мод внешнего резонатора, зависящих от угла ф положения зеркала №2.
Стабильность угла ф и нечувствительность его к ударам, тряске и темпе-
ратурным воздействиям обеспечивается специальной технологией MEMS
(микроэлектронно-механическая сисгема)[17].
Такая конструкция обеспечивает плавную перестройку в пределах до 40нм,
узкую спектральную линию, высокую стабильность, отсутсгвие скачков мод,
мощность излучения до 20мВт. Недостатком являются большие габариты и
высокая стоимость.
На основе этой технологии могут выполняться настраиваемые фото-
приемники, контроллеры поляризации, оптические мониторы, перемен-ные
аттенюаторы, оптические переключатели, настраиваемые фильтры.
5.13. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ И ПЕРЕДАЮЩИЕ
ОПТИЧЕСКИЕ МОДУЛИ
5.13.1. Полупроводниковым лазером (ППЛ) называется комбинация ЛД
с системой АРМ, включающей датчик температуры и излучаемой мощности.
Передающий оптический модуль (ПОМ) (рис.5.25) может включать в себя
также коллиматор, микрохолодильник (работающий на эффекте Пельтье),
модулятор (микросхема управления), и систему, обеспечивающую перестройку
длины волны. ПОМ могут быть аналоговыми и цифровыми.
На рис. 5.25 показана простейшая структурная схема одного из вариантов
цифрового ПОМ, где обозначено: 1 - система входного формирователя,
обеспечивающая согласование со стандартными сигналами ТТЛ- логики со
схемой блокировки, выключающей питание лазерного диода без сигнала; 2 -
формирователь импульсов тока накачки, увеличивающий ток накачки по мере
деградации зеркал и выдающий сигнал потенциального отказа при достижении
максимального тока, 3 - лазерный диод с оптической системой- 4 и оптическим
разъёмом - 5; 6 - фотодиод, принима ющий излучение тыльной стороны
97
лазерного диода; 1- усилитель фототока, дающий в формирователь - 2
информацию о величине излучаемой мощности.
4 5
7 7" - 2^ ——L >
Ь - ~1 Р----------------------
i I
Рис. 5.25. Передающий модуль для ВОЛС
Подобные модули имеют малые габариты (порядка 15 ом3), малую
потребляемую мощность и хорошо согласуются с ВОЛС. Современные модули
выполняются в виде герметичных микросборок с использованием
микроплёночной и интегральной технологий.
Например, ПОМ-661 выполнен в стандартном корпусе с 14 выводами,
габаритами 19,5x14,5x8,5 мм (без выводов). Вывод оптического излучения
осуществляется отрезком ОМВС со стандартным оптическим разъемом
(Л = (1,25-ь 1,35)л<км, ДЯ = Зяи, Р,.=(0,2 + 2)мВт, U„=5B, I„ = (75-Ч20)л<Л,
B = (24-155)M6wot/c).
5.13.2. Почти все рассмотренные выше типы ЛД позволяют
осуществлять плавную перестройку Л в небольших пределах при изменении
температуры среды путем изменения постоянной составляющей тока
возбуждения или путем использования температурно-контролируемого
теплового стока с использованием микрохолодильника. Как уже указывалось в
п.р. 5.11, при изменении температуры изменяется коэффициент преломления,
длина резонатора, и шаг решетки для ЛД с РОС и РБО, что и вызывает
изменение 2.
Для ЛД с РОС диапазон перестройки Д2 < 5нм, но при повышении
температуры падает мощность. Для ЛД с РБО при нагреве только решетки
Д2 < 40ял/, но увеличивается ширина спектральной линии, и наблюдаются
скачки мод. Для ступенчатой перестройки в ПОМ включаются несколько ЛД.
Наилучшие результаты получены при использовании ЛД с внешней
резонаторной полостью, который может обеспечить перестройку до 40н.и.
узкую спектральную линию и отсутствие скачков мод. но имеющий большие
габариты и высокую стоимость.
5.14. ОПТИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ
5.14.1. Современные ВОЛС с большими скоростями передачи
информации на основе ОМВС с очень малой дисперсией имеют большие
98
безрегенерационные участки до 200/cw при мощности ПОМ
2«иВ/и (ЗдБм), что возможно только с применением оптических
усилителей (ОУ) при передаче, приёме и промежуточных (линейных).
С применением компенсаторов дисперсии и оптических усилителей,
возможно, увеличить длину регенерациионнго участка до 600/си. ОУ являются
неотъемлемым компонентом многоволновых систем (WDM). Применяются они
и в локальных сетях ВОЛС, и в системах кабельного телевидения.
ОУ подразделяются на полупроводниковые (ПОУ) и волоконные (ВОУ).
Принцип работы их рассмотрен ранее в подразделе 5.3.
5.14.2. На рис. 5.26 показаны условные статистические энергетические
диаграммы трех возможных состояний вещества (ДУ = N2 - .
/•', N2 ••• - N. • •••••
/•; n, • • • • • /v, • • • • • -
Nx > N} ДАТ <0 .V, * N2 № =0 N2 >Nt &N>Q
Поглощающая среда Равновесная(нейтральная) Иэлучающая(ииверсная)
среда среда
Рис.5.26. Состояния вещества
Кварц в обычных ВС хорошо очищен и является нейтральным (преобладает
Релеевское рассеяние). Если в SiO2 (матрица) добавляются редкоземельные
металлы (в качестве активных центров), то возникает поглощение, а при
некоторой пороговой накачке среда становится инверсной для заданного
диапазона волн. Для добавок применяются лантаноиды (табл. 5.1). (Показатель
3+ обозначает степень окисления - формальный параметр для сложных
молекул, не совпадающей с валентностью).
В первых ВОУ накачка производилась при помощи мощных ртутных ламп
через оболочку в эллиптическом отражателе по аналогии с твердотельным
лазером. В настоящее время мощность накачки от ЛД вводится в ВС через
направленный ответвитель (НО). При разбросе энергии электронов возможно
усиление в некоторой полосе частот.
Как известно из подраздела 5.3, двухуровневая среда не может
использоваться для усиления, так как нельзя различить сигнал (/(.) и накачку
( /н ). Поэтому накачку проводят на 3-й, 4-й и т.д. уровни, т.е. fH > fc. На
метастабильном уровне состояние инверсии сохраняется на время
99
Таблица 5.1
Окно прозрачности (ОП) Диапазон Длины волн Л ,мкм Материал добавок Применение и обозначение
1 1 0.78-0.83 Тулий 77и+3
1 1 2 О 1.26-1,36 Неодим ш+3 Празеодим Рг" NDFA
3 С 1.53-1.565 Эрбий Ег ' Наиболее распространенные (EDFA)
4 L 1,565-1,625 Эрбий Ег*у Опытные экземпляры
5 S 1.46-1,53 Тулий Опытные экземпляры
жизни носителей r«10,w, что обеспечивает широкую полосу частот. При
переходе частиц с верхнего уровня, кроме усиления возникает, спонтанное
излучение, часть которого (®1%, потому что спонтанное излучение
ненаправлено) возбуждает моды ВС и является шумом ОУ. Уменьшить шум
можно повышением fJf и Рн >\0,5мВт. Для максимума усиления в III окне
прозрачности Лн - ХДКмкм. Необходимо для увеличения эффективности
накачки также увеличивать NA ВС, для чего вводят добавки беО2или
А120з(Ля =0,98 wow).
Для выравнивания частотных характеристик и расширения полосы частот
вводят ещё добавки лантана и других лантаноидов. Для сохранения условия
одномодовости при увеличении NA нужно уменьшить диаметр сердцевины до
267=4,3w/cv, что усложняет стыковку с обычным ВС, которая обеспечивается
линзой или специальным коническим ВС (фоконом).
При Лн — 0,98кл/ ВС является многомодовым, что приводит к
неравномерному распределению Рн в поперечном сечении. Для уменьшения
этого фактора ВОУ сворачивают в бухту. Одним из основных параметров ВОУ
является коэффициент усиления G. отнесенный к мощности генератора накачки
Рн-6/рн = (O.I4-1.35)[d/>/.wZfrw]- Зависимости }аналогичны всем ОУ
имеют участок насыщения (рис.5.5) и влияние на форму импульсов, но при
В > 650.\/бит/с это влияние не сказывается. ВОУ могут быть разного
назначения и с разными требованиями к параметрам.
100
1. Усилитель мощности на входе ВОЛС для увеличения мощности Л-
ПОМ (рис.5.27) с PffX = (14-10)мВт до Рных <10В/и(коэффициент усиления
G = (38-ь43)<И) с коэффициентом шума (6-ь 7)dZ>. В качестве источника
накачки применяется ЛД. При этом для Лн = 1,4&или, Рн = (50 4- 100)мВт, а для
Ли = 0,98.wxm ,РН = (10-^20). мВ/л •
Селективный НО
► и s
Оптический ЭВУ Оптический фильтр ВОЛС
изолятор изолятор
____ 4//
Генератор накачки
Рис. 5.27. Структурная схема ВОЛС с эрбиевым волоконным усилением (ЭВУ)
на входе
В случае рис.5.26 использована “накачка вперёд”, т.е. направление
распространения энергии накачки совпадает с направлением распространения
сигнала. Российско-Германским предприятием ИРЭ - плюс разработан ВОУ с
шпербием на Рных = 50В/И.
2. Предусилитель для фотоприёмного устройства (ФПрУ) на выходе ВОЛС
может иметь 6<51дЯпри отношении сигнал/шум S/N = (3-ь8)д2). При этом
применяется “накачка назад”, Рн = \Ъ0мВт,ЛИ =0,98лкм. Структурная схема
имеет аналогичные рис.5.27 элементы.
3. Линейный усилитель, включаемый в середине регенерационного участка,
но накачка может подаваться как на входе ВОЛС, так и на выходе (накачка
вперёд или назад). При Ля=1480^м и Рн <10мВт, так как затухание
мощности накачки малое. При сонаправленной накачке с Лн -980/ш меньше
уровень шума. Возможна и двунаправленная накачка. Структурная схема
содержит все те же элементы, что и на рис.5.26. Длина участка регенерации с
таким же ВОУ может достигать 100к,и.
5.14.2. Другой тип оптических усилителей основан на явлении
вынужденного комбинационного (Рамановского) рассеяния - (ВКР), которое
возникает при превышении некоторого порога оптической мощности (для
обычного ОМВС из SiO2 при Р( > 600 м Вт) (см. п.р. 6).
За счет нелинейного эффекта при этом возникают дополнительные
спектральные компоненты так называемого, стоксова компонента на 13 ТГц
ниже основной (на 104н.м вверх). Если мощность сигнала повышается, то
энергия основной частоты переносится, в стоксову компоненту. При этом
101
происходит нарушение энергетических уровней SiO2, нарушается
равновесное состояние и среда становится активной (инверсной), т.е.
усиливающей. Если использовать накачку: = (1445-1462)^,/^ >600jwBm,
то усиление происходит для =(1530-И570)им- т.е. захватывается ЗОП
(диапазон С) и часть 4ОП (диапазон L). Таким образом получится романовский
усилитель (ВКРОУ).
В эрбиевых линейных ВОУ при подведении Ри со стороны ФПрУ с
1480мм, Рн> 0,5 Вт на конечном участке ВОЛС возникает активная
среда с G»10d5. Остальная часть Рн распространяется дальше для накачки
эрбиевого ВОУ. В этом случае уменьшается спонтанное излучение ЭВОУ и
улучшается отношение S/N.
Достоинствами ВОУ являются:
- хорошая совместимость с ВС;
- малый коэффициент шума;
- большой динамический диапазон Рвх;
- большая выходная мощность;
- слабая поляризационная чувствительность.
Поэтому ВОУ получили наибольшее распространение.
5.14.3. Полупроводниковые оптические усилители (ПОУ) появились
раньше ВОУ, но, несмотря на успехи ВОУ, сейчас интенсивно развиваются, что
обусловлено их малыми габаритами и малым потреблением энергии.
Конструкции ПОУ подобны ЛД с двойной гетероструктурой, что
позволяет их интегрировать вместе с другими элементами интегрально-
оптических схем. Отличие от ЛД только в уменьшении коэффициента
отражения - р от торцов благодаря многослойным просветляющим
покрытиям. Эти покрытия устраняют положительную обратную связь (ПОС) и
генерацию. Для уменьшения ПОС также применяют оптические изоляторы
(вентили). Согласование с ВС производятся с помощью линз.
Условно ПОУ подразделяются на два класса:
1. Резонансный ПОУ (Фабри-Перо) содержит одночастотный ЛД с РОС
или РБО с р = 0,01 -5-0,3, работающий ниже порога генерации в резонансном
режиме. При G = (25-ь30)<М>полоса частот = 5 + \0ГТц- Недостатками
являются малый динамический диапазон, требование высокой температурной
стабилизации ± 0,1 °C и высокая поляризационная чувствительность.
2. Усилитель бегущей волны (УБВ) имеет конструкцию, аналогичную
резонансному, но со значительно меньшим р. При р< 0,01, G<33dB,
102
А/ > \ГГц, Л/ = ±15°С, наблюдается низкая поляризационная
чувствительность.
В России ПОУ производит компания HOJIATEX, например. ПОУ-1,5,
который имеет следующие параметры: С = 30д£при Рвых = ХмкВт,
коэффициент шума <6дБ, полоса усиления 35нл< в диапазоне С По своим
параметрам современные ПОУ приближаются по параметрам к ВОУ, уступая
им только по коэффициенту шума.
В современных ПОУ применяются в качестве активной среды так
называемый квантово-напряженные структуры, практически не чувствительные
к поляризации, которые могут работать во всех окнах прозрачности.
6. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ВОЛС
6.1. НЕЛИНЕЙНОЕ ПРЕЛОМЛЕНИЕ
Линейной называется среда, параметры которой не зависят от подводимого
сигнала (не управляющего!). Управление параметрами среды при помощи
управляющих полей широко используется в модуляторах и других устройствах,
но для малого сигнала среда остается линейной.
Обычные среды являются линейными до значений £<104В/л<, т.е.
наблюдается линейная связь вектора поляризации Р с вектором Е
P = EQk,E, (6.1)
где кэ - диэлектрическая восприимчивость. На практике чаще используется
материальное уравнение для электрической индукции
D = sQ Е+ Р = Е(\ + к,) = eqsE\ (k, = £-1). (62)
В одномодовых ВС из-за высокой концентрации энергии при малом
диаметре сердцевины 2а оказывается Е>\&В1м даже при «ЮмВ/л (при
2а = 10л/юи П = 1,27 104Ли/см2).
Явление это усиливается с применением ОУ. В этом случае связь
Р(Е) оказывается нелинейной и может быть записана в виде ряда
Р = ₽0(Лэ1Е + Л,2Е2+Лэ3£3), (6.3)
т.е. £ = f(E). В этом случае в объемных средах (кристаллах) под
воздействием гармонического сигнала возникают следующие эффекты:
оптическое детектирование, самофокусировка, генерация гармоник,
103
параметрическое усиление и генерация, которые используются в различных
устройствах.
В ОМВС рассмотренные нелинейные эффекты для зависимости
п(Е) SiO2 представляются в следующем виде:
»(<»,£2) = и1И+И2(И2). (6.4)
где - линейная часть; Пг(Е) = Лв|£|2- нелинейная часть; кп -
коэффициент нелинейности п (эффект Керра - см. 7.2).
6.2. ФАЗОВАЯ САМОМОДУЛЯЦИЯ И КРОСС-МОДУЛЯЦИЯ
Зависимость п(Е) приводит к фазовой самомодуляции (ФСМ), т.е. набег
фазы зависит от напряженности Е <р(Е) = -/?0 • п(Е2)19 что проявляется в
симметричном спектральном уширении коротких импульсов. Фазовая кросс-
модуляция (ФКМ) обусловлена набегом фазы, наведенным источником на
другой Я, распространяющейся вместе с исходной А, что приводит к
ассиметричному спектральному уширению импульсов.
Рис 6.1. Форма импульса при ФСМ
Изменение фазы при ФСМ вызывает паразитную ЧМ (ПЧМ) импульса,
глубина которой растет с длиной /, что и приводит к уширению спектра и
искажению формы импульса (рис. 6.1). Спектр носит осциллирующий характер,
зависит от формы импульсов и начальной (ПЧМ) некоторых источников. ФСМ
проявляется при < ЮОлс. Если на ФСМ накладывается дисперсия, то для ВС
с положительной (нормальной) дисперсией (D<0) происходит обычное
уширение спектра и расплывание импульса во времени. Для отрицательной
104
(аномальной) дисперсии (£>>0) - гауссов импульс сначала расширяется,
затем стабилизируется, а спектр сужается. Если импульс имеет форму
гиперболического секанса (близок к гауссовому), - то без начальной ПЧМ
импульс ведет себя, как солитон - ни форма, ни спектр не изменяются при
распространении.
Эффекты ФСМ и ФКМ уменьшаются при уменьшении дисперсии. При
= 5мВт и интервале соседних частот WDM &f > 100ЛП/ эти эффекты не
проявляются.
6.3. ВЫНУЖДЕННОЕ НЕУПРУГОЕ РАССЕЯНИЕ
Явление вынужденного неупругого рассеяния, в отличие от упругого
рассеяния (в линейной теории), обусловлено передачей оптической волной
части энергии нелинейной среде. С ним связаны: вынужденное рамановское
(комбинационное) рассеяние - ВКР (SRS) и вынужденное рассеяние
Мандельштама-Бриллюэна - ВРМБ (SBS).
Квантовый механизм этих явлений проявляется в том, что фотон
падающего пучка (или лазерной накачки оптического усилителя) распадается
на фотон меньшей (комбинационной или разностной) частоты и фонон («квант»
акустических колебаний решетки). Так как часть энергии фотона тратится на
рассеяние, то это эквивалентно уменьшению частоты (Е = hf \
Следовательно, рассеянная волна имеет частоту /0 — А/*. Для кварца
Af = 13777/ с полосой 1ТТц. При увеличении могут появиться
компоненты j^-2Af, /Jj-3Af - это стоксовые компоненты. При
дальнейшем увеличении появляются антистоксовые компоненты /0 + Д/\
/0 4- 2Af. При некоторой мощности вся мощность может перейти в
стоксовые компоненты. Для ВКР стоксовая волна может распространяться в
обоих направлениях, но преимущественно по направлению падающего пучка, а
для ВРМБ - в обратном направлении.
ВКР наблюдается при Р** «]Вт, ВРМБ при Pwk »\dMBm (проявляется
раньше!). В ВС интенсивность стоксовых компонент может увеличиться на
несколько порядков (до 109 раз на Л = 1550нл< при а = 0,2д/> /юи), что дает
возможным оптическое усиление (ВКР - ОУ и ВРМБ - ОУ).
ВРМБ особенно актуально в связи с созданием мощных ЯД с малой
шириной спектральной линии АЛ. При этом происходит увеличение
плотности потока и нелинейных эффектов. Фонон, рождаемый в схеме
процесса, возбуждает акустические волны, распространяющиеся в том же
105
направлении, но со скоростью * 5хл/ / с за счет электрострикции (основная
волна имеет v = 204000км/с). Акустические волны вызывают колебания
плотности (сгустки и разряжения среды), т.е. эффект фотоупругости. Фотон,
тоже рождаемый в процессе формирует стоксовую волну, распространяющуюся
в обратном направлении, называемую волной обратного рассеяния. Ее
интенсивность увеличивается с увеличением фотоупругости, т.е. с увеличением
мощности накачки. При некотором пороговом уровне ВРМБ начинает резко
увеличиваться интенсивность обратной волны, что ухудшает эффективность
передачи основного сигнала. Затем интенсивность основного сигнала перестает
расти и даже падает. Следовательно, существует пороговый уровень мощности
источника и ухудшения качества основного сигнала за счет обратного
рассеяния и отражения обратного рассеяния. Явление ВРМБ используется в
рефлектометрах (см, п.р. 11.2).
6.4. ЧЕТЫРЕХВОЛНОВОЕ СМЕШЕНИЕ
Как и генерация гармоник четырехволновое смешение - ЧВС (FWM)
возникает в результате параметрического усиления, когда ВС играет роль
пассивной среды распространения, в которой несколько оптических волн
взаимодействуют благодаря нелинейному отклику возбуждаемых ими
электронов внешних оболочек. ЧВС (FWM) с позиции квантовой механики
состоит в том. что если происходит взаимодействие четырех линейно-
поляризованных волн с частотами О), й>3, 6У4, то может наблюдаться
уничтожение фотонов одной частоты и рождение волн других часто! при
сохранении энергии импульса.
Если ввести в ВС три частоты fi),, и то при их достаточной
интенсивности возникает четвертая
<6-5)
ВС можег проявляться и в одноканальной системе с ОУ при наличии частот
накачки O)lt и сигнала О)с, а также между боковыми частотами и несущей при
модуляции интенсивности (AM).
Строго говоря. ЧВС наблюдается при фазовом синхронизме (Д/? = 0.
Д В реальной среде оно выполняется с большей или меньшей
точностью, но легче выполняется в случае вырожденного ЧВС. когда гэ, = ГУ2.
В этом случае волна накачки генерирует 2 симметричные гармоники (0^
106
(стоксовая или НЧ-iармоника) и б94 -антистоксовая ВЧ-гармоника, сдвинутые
на величину
Q4t = (Р| - й)3 = . (6.6)
Практически, если вводится только й)} и выполняется условие фазового
синхронизма, то генерация С03 и О)А может проявляться за счет тепловых
шумов, как при ВКР и ВРМБ, но порог возникновения ЧВС в два раза ниже
ВКР. Фазовый синхронизм для двух несущих частот WDM й)х и СО2 получится
для двух совместно распространяющихся волн. При взаимодействии их
получаются боковые стоксовая 2^ - бУ2 и антистоксовая - й)х
компоненты (рис.6 2).
U)3=2U)1-U>2 Wl U)2 2w2-Wi=W4
стоксовая антистоксовая
компонента компонента
Рис. 6.2. Спектр ЧВС
Для трех несущих фазовый синхронизм выполняется для схемы
взаимодействия вида 0)lfk = бУ, 4- ± й)к; в результате формально получается
I2 гармоник, но фактически только 7 (за счет вырождения). При наличии
большого количества частот и явления фазового синхронизма ЧВС будет
определяться еще и дисперсией. Чем она выше, тем меньше вероятность ЧВС.
Поэтому и были разработаны ВС с ненулевой смещенной дисперсией G.655 (см.
2 8).
При фиксированном разносе частот вероятность ЧВС тем больше, чем
меньше разнос. Условие фазового синхронизма, при котором даже при малых
Л <IOwB/w возникает ЧВС
2лШ)2 (6 7)
С
где - разнос между каналами в WDM.
В сис1ема\ WDM и особенно DWDM влияние ЧВС особенно
разрушительно В системах DWDM с числом каналов N общее число
возникающих частот М
107
Л/=№(Лг-1)/2 . (6.8)
При N = 4 возникает 24 побочных канала, при N = 8 - 224 канала. ЧВС
особенно проявляется в ВС со смещенной нулевой дисперсией G.653. В случае
ВС со смещенной ненулевой дисперсией G.655 влияние ЧВС острой ситуации
не вызывает. Для уменьшения плотности потока мощности нужно использовать
ВС с большим диаметром сердцевины. В системах с Д/* = 200ГГц ЧВС резко
снижается по сравнению с Д/ = 100ГГц. Можно также использовать
неравномерный шаг Af между каналами.
6.5. МОДУЛЯЦИОННАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ
Модуляционная неустойчивость (Ml) является частным случаем ЧВС и
сводится к появлению двух боковых частот при непрерывном сигнале с
частотой /0 в ВОЛС с ВОУ за счет спонтанной генерации. Проявляется в ВС с
аномальной дисперсией (D>0) в виде последовательности коротких
импульсов с полосой где = /(Р^). При этом уменьшается
отношение сигнал/шум (S/N). Особенно может проявляться в системах с
каскадно-включенными ВОУ.
6.6. ОПТИЧЕСКИЕ СОЛИТОНЫ
Солитоны - это волны специальной формы, возбуждаемые в ОМВС при
воздействии отрицательной (аномальной) дисперсии (£)>0) и фазовой
самомодуляции (ФСМ). При этом достигается баланс влияния отрицательной
дисперсии и нелинейных эффектов. Солитоны могут распространяться на
большие расстояния без искажения формы, скорости и направления даже при
столкновениях, т.е. в некотором смысле имеют свойства частиц. Открыты
солитоны в 1834г. при наблюдении в канале волны перед судном. Теоретически
их существование доказано в 1971г. Захаровым и Шабатом - получено решение
нелинейного уравнения Шредингера. В 1980г. - экспериментально получены в
ВС.
Решение нелинейного уравнения для интенсивности имеет вид
= [I0Nsech(t)exp(-jkz')]2, (6.9)
где N - порядок солитона (N = 1 - фундаментальный, # = 2,3,... - высшего
порядка)
secHf) _ * _ . к = В- ja.
сЛ(/) е' +е~' ’
108
Дисперсионная длина LD - это такое расстояние, после которого сильно
влияние дисперсии Lo = т} /|Д| (т0- начальная длительность имульса, -
член разложения , определяющий материальную дисперсию - см. ф.
2.25).
Период солитона L - это расстояние, при котором после сужения имульса
длительность его опять восстанавливается - £ = я£0(г0)/2.
Для возбуждения солитонов, особенно высшего порядка, нужны большие
мощности источника Рдд :
=1,2 5 11,4 22,5 [Вт]
N = 1 2 3 4
Условия, необходимые для того, чтобы солитон не разрушился:
- нужна компенсация потерь - обеспечивается ВОУ;
- не должно быть начальной ЧМ (эффекта «чирпа»);
- не должно быть взаимодействия соседних солитонных импульсов.
При помощи солитонов возможна передача на 1 ООО/gw с В = 100Л5шл без
регенерации.
Пример солитонной ВОЛС представлен на рис.б.З. При Лс « 1,56jw/ow через
каждый период солитона L - вводится накачка ВОУ с вынужденным
комбинационным рассеянием (ВКР) на Лм = 1,46л<юи - в обе стороны.
Рис. 6.3. Структурная схема солитонной ВОЛС
При этом информационная емкость А/* •/ 4-1047Ti/- км (на 2 порядка
больше линейных систем). Информационная емкость для разных / разная, так
как проявляется нелинейная зависимость AT(Z). При Р^^ЛОмВтп
I < 600км из-за шума.
Пока созданы только экспериментальные солитонные ВОЛС.
Солитоны также применяются для создания солитонных ПП-лазеров и
сжатия оптических импульсов путем ЛЧМ.
109
6.7. ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВЫЕ КОНВЕРТОРЫ
6.7.1. Существует класс оптоэлектронных приборов для ВОЛС
специально использующих нелинейные эффекты, например, оптические
волновые конверторы (ВК).
Они применяются для преобразования входного сигнала в 2^:
используются, например, в мультиплексорах (МП) WDM для согласования
набора с набором Л мультиплексора (Рис. 6.4). ВК используются также на
стыке разных сетей.
Рис.6.4. Пример использования волновых конверторов
В ВК используются различные нелинейные эффекты. Могут
использоваться фиксированные ВК (Ф) и настраиваемые (переменные) (П) с
набором частот на входе и выходе (Ф - Ф, Ф -П, П- Ф, П-П).
По принципу работы ВК различаются на следующие типы.
- оптоэлектронные;
- на основе оптических кросс-модуляторов;
- на основе четырехволнового смешения;
- на основе других нелинейных эффектов.
6.7.2. Наиболее широко используются в WDM оптоэлектронные
конверторы. Они состоят из оптического приемника-преобразователя,
электронного регенератора и оптического передатчика. Электронный
регенератор может быть трех типов:
1) R (1R) - просто регенератор-усилитель (увеличивается отношение
сигнал/шум, но нет ограничения на формат сигнала);
2) R2 (2R) - регенератор-усилитель-формирователь (рассчитан только на
определенный формат входного сигнала, но уменьшается отношение
сигнал/шум);
3) R3 (3R) - регенератор-усилитель-формирователь с ресинхронизацией
(кроме уменьшения отношения сигнал/шум уменьшает дрожание фазы).
6.7.3. В конверторах на основе оптической перекрестной модуляции (кросс-
модуляторах), кроме сигнала с Лс, используется дополнительная пробная
по
несущая - Лпр.
сигнал
Рис.6.5. Структурная схема конвертора с кросс-модуляцией усиления
Такая модуляция возможна, если характеристики ППОУ изменяются при
изменении интенсивности входного сигнала. Могут использоваться кросс-
модуляция усиления (GGM) и кросс-модуляция фазы (СРМ).
В первом случае происходит модуляция коэффициента усиления
G = ) и после ППОУ и фильтра получим сигнал с новой несущей 2^
(рис.6.5).
Во втором случае используется связь между плотностью носителей ППОУ
и изменением коэффициента преломления п ППОУ, которая и изменяет фазу
(р = —/?0 - п-1. Изменение фазы с помощью интерферометра Маха-Цандлера
(MZI) с одинаковыми плечами преобразуется в изменение интенсивности
пробного сигнала. Достоинством СРМ является то, что нужна меньшая
мощность Рс, и недостатком - то, что нужно два ППОУ.
6.7.4. Конверторы на основе эффекта четырехволнового смешения
также используют, кроме входного сигнала 2С, пробный сигнал с 2^.
При взаимодействии на ВС трех частот f\+ f2 + /3 на выходе при
Z = Л получим Л - f\ + f2 “ /3 - 2/, — /з. Все частоты близки между
собой, амплитуда Р9ЫХ мала, поэтому используют ППОУ или специальное ОВ.
Тогда при подаче Рс и Рпр получим /вых = 2/с - Д,. Метод «прозрачен» по
отношению к формату входного сигнала, т.е. можно использовать любой
формат входного сигнала. Недостатком является необходимость фильтра
генерируемого сигнала на выходе ППОУ и снижение эффективности
конвертации при разносе частот fc и f.
Ill
7. УПРАВЛЕНИЕ ВРЕМЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ОПТИЧЕСКОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
7.1. МОДУЛЯЦИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В оптическом диапазоне возможны все известные виды модуляции:
амплитудная (AM) и её разновидности (частотно-импульсная (ЧИМ), широтно-
импульсная (ШИМ)), фазовая (ФМ), частотная (ЧМ) и поляризационная (ПМ),
но из-за трудностей регистрации ЧМ, ФМ и ПМ на практике все виды прео-
бразуются в AM в самом модуляторе или с помощью специального устройства.
Различают модуляцию без поднесущей, когда модулируются
непосредственно параметры световой волны, и с поднесущей, когда сначала
модулируется промежуточное СВЧ-колебание, которое затем используется для
модуляции световой волны. В последнем случае достигаются более широкие
полосы передаваемых частот.
Под внешней (внерезонаторной) модуляцией понимается изменение уже
сформированного светового пучка. В случае внутренней модуляции
управляющее устройство находится внутри резонатора. При внутренней
модуляции управление более эффективно, но предъявляются более жёсткие
требования к качеству модулятора (возможен эффект "чирпа ” - см. п.р.5.11).
Простейшими амплитудными модуляторами являются колеблющиеся или
вращающиеся заслонки, зеркала, призмы и т.д., т.е. используется механическая
модуляция, которая обладает большой инерционностью.^ основе современных
оптических модуляторов для ВОЛС лежат физические эффекты в оптически
анизотропных средах: электрооптические, магнитооптические и
акусто оптические.
7.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ
7.2.1. Свойства анизотропной среды (кристалла) описываю гея
индикатрисой преломления, которая показывает зависимость коэффициента
преломления от направления распространения и поляризации светового пучка
n(x,y,z), и представляет собой в общем случае (пх*пу* nz) трёхосный эллипсоид
[19] (рис.7.1,а). В таком эллипсоиде можно найти два круговых сечения,
нормали к которым являются осями кристалла. Таким образом, в общем случае
кристалл является двухосным (два направления, для которых коэффициент
преломления не зависит от поляризации). В большинстве кристаллов пх=пу*п2,
индикатриса принимает вид эллипсоида вращения (рис. 7.16, в), и появляется
112
только одно круговое сечение, т.е. такой кристалл является одноосным. Вдоль
осей любой кристалл ведёт себя как изотропный, так как для изотропной среды
(индикатриса преломления изотропной среды имеет вид сферы).
б
Рис.7.1. Индикатриса преломления двухосного (а) и одноосных (б, в)
кристаллов
При произвольном направлении падения светового луча для разных
поляризаций коэффициент преломления зависит от поляризации. Например, для
одноосных кристаллов (рис.7.1,6) при падении луча в плоскости yoz для вектора
Ё2 коэффициент преломления пе зависит от угла 0П, т.е. n=ne=fl0n) - волна с
такой поляризацией называется необыкновенной. Для вектора n=n0*fl£n) и
волна называется обыкновенной. Такое явление называется двойным
лучепреломлением и приводит к разным углам преломления для разных
поляризаций. В случае падения на кристалл луча деполяризованного света из
кристалла выходят два луча поляризованного света под разными углами. Если
пе>п0 (рис.7.1,6) двулучепреломление - положительное, а если пе<п0
(рис.7.1,в)- отрицательное. В случае двухосного кристалла обе волны будут
необыкновенными, т.е. п^Цвц) и n^flM-
Если эти свойства кристаллов проявляются без внешних воздействий, то
явление называется естественной анизотропией. Для управления световыми
пучками используется наведённая анизотропия, когда первоначально кристалл
является изотропным или одноосным, а под воздействием внешнего поля
становится одноосным или двухосным (поляризационная дисперсия в ВОЛС из-
за сдавливания ВС).
7.2.2. Электрооптический линейный эффект Поккельса возникает при
подаче на вырезку из одноосного кристалла управляющего напряжения. Под
его воздействием кристалл становится двухосным, при этом разность
113
коэффициентов преломления двух необыкновенных волн и разность их набега
фаз пропорциональна управляющему электрическому полю:
Дп=пеГпе2~Е; Дд> =ф(Г<ре2~Е. (7.1)
В этом случае проявляется высокое быстродействие (до 40-1013 Гц) и малые
нелинейные искажения.
Особенно сильно эффект Поккельса проявляется в пьезоэлектриках GaAs,
GaP, LiNbO^ (ниобат лития), LiTaO3 (танталат лития), SiO2.
Эти кристаллы обладают большой твердостью, малыми потерями (1-
2)%/см и негигроскопичны, но имеют большой коэффициент отражения р *
0,33. Ещё более сильно эффект проявляется в кристаллах КДР (КН2 РОА) и К ДА
(KfyAsO*), но они гигроскопичны, хрупки, склонны к растрескиванию и в
ВОЛС не применяются.
Электрооптический квадратичный эффект Керра возникает при подаче
управляющего напряжения на изотропную среду, вследствие чего она
становится одноосной. При этом разность коэффициентов преломления
необыкновенной и обыкновенной волн и разность набега их фаз
пропорциональны квадрату напряжённости электрического поля:
Ду =<ре-ф0~Е?. (7.2)
Этот эффект более слабый, проявляется в некоторых кристаллах и
жидкостях (нитробензоле) и используется реже.
7.2.3. Акустооптический эффект проявляется в любой прозрачной
среде и состоит в том, что при воздействии гармонической акустической волной
АаК в среде возникают упругие деформации, т.е. сгущения и разряжения
коэффициента преломления п. Такую среду можно рассматривать как
квазистационарную (Как<<С) фазовую дифракционную решётку с периодом
<7=Дж. При падении света на такую решётку происходит дифракция, характер
которой существенно зависит от параметра дифракции Q
Q^Al/nfa, (7.3)
где I - толщина акустически возмущённой среды в направлении
распространения света. При Q«\ существует дифракция Рамана-Натта с
большим числом дифракционных максимумов порядка т (случай тонкой
решётки или решётки с большим периодом по аналогии с антенными
решётками в радиодиапазоне, рис.7.2,а). Случай Q>\ соответствует дифракции
Брэгга, при которой существует только главный (т=0) и один дифракционный
(яг=1) максимумы, если луч входит в среду под углам Брэгга 6Б (pw:.12,6).
0Б = arcsin(A/2nZflJC), (7.4)
(случай толстой решётки или решётки с малым периодом).
7.2.4. Магнитооптический эффект Коттона-Мутона аналогичен
электро-оптическому эффекту Кэрра и возникает в поперечно-намагниченном
кристалле специальных видов граната (или стекол). Под действием магнитного
114
поля Н^р кристалл из изотропного становится одноосным и разность
коэффициентов преломления необыкновенной и обыкновенной волн
Рис.7.2. Акустооптические эффекты Рамана-Натта (а) и Брэгга (6)
!И«0
ГО-1
пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля.
Дл = пе — nQ = К , (7.5)
где К^и - коэффициент Коттона-Мутона, зависящий от типа материала (рис.
7.3, а).
а б
Рис. 7.3. Магнитооптические эффекты Коттона-Мутона (а) и Фарадея (б)
Магнитооптический эффект Фарадея возникает в продольно-
намагниченных гиротропных средах, в которых свойства среды для волн
круговых поляризаций правого и левого вращения оказываются разными. В
гиротропной подмагниченной среде при распространении волн круговой
поляризации для поляризаций правого и левого вращения действуют разные
магнитные проницаемости, а, следовательно, и коэффициенты преломления.
Это приводит к -тому, что при прохождении одинакового расстояния они
получают разный набег фазы. Если на вход подаётся линейная поляризация, то
её можно представить в виде суперпозиции двух круговых с разным
115
направлением вращения. После прохождения гиротропной среды они получают
разность фаз и суммируются на выходе уже с другой ориентацией вектора £,
т.е. эффект Фарадея приводит к повороту плоскости поляризации линейно-
поляризованной волны. При этом угол поворота ф зависит от управляющего
магнитного поля
(7.6)
где постоянная Верде, зависящая от типа материала; 6 — угол между
направлением света и управляющего магнитного поля Нупр, I- длина среды
вдоль распространения света (рис. 7.3,6). Эффект проявляется в
ферромагнетиках димагнетиках (д</, для SiO2 //=0,999987) и
парамагнтиках (//>1).
7.2.5. Поглощение оптического излучения может происходить в
результате разных явлений.
1. Межзонное поглощение возникает, если энергия излучения Е = hf >ЛЕ3
больше энергии запрещенной зоны ДЕЭ, так как в этом случае энергия
фотонов отдается электронам для перехода из валентной зоны в зону
проводимости. При этом амз ~ 1 / X.
2,Внутризонное поглощение на свободных носителях вызывается тем, что
фотоны отдают энергию электронам в зоне проводимости (или дыркам в
валентной зоне). При этом ап ~ Ntf где N- концентрация частиц в единице
объема материала.
3. Электро ад сорбционный эффект Франца-Келдыша возникает в ПП и
сводится к тому, что при подаче сильного электрического поля на ПП граница
полосы межзонного поглощения смещается в сторону уменьшения частоты
(увеличения X) (рис.7.4,а).
а б
Рис.7.4. Эффект Франца-Келдыша
Эффект объясняется тем, что приложение обратного смещения на р-п
переход или контакт типа барьера Шоттки вызывает искривление
116
энергетических уровней таким образом, что ширина запрещенной зоны
уменьшается (рис.7.4,б); это и приводит к увеличению проводимости
(повышению затухания) на более низких частотах (ЛЕ = hj).
12.6. Термооптический эффект (ТОЭ) заключается в изменении
линейных размеров, объёма и коэффициента преломления вещества при
изменении температуры. Веществом может являться так называемая жидкость
(с пж - п/ ВС) или специальные стёкла. Например, стекло типа К-15 имеет
температурный коэффициент приращения показателя преломления
положительный &п = +3,7-10-6 на 1°С, а КГСС-ЗМ - отрицательный -
&п = +3,7-10-6 на 1°С. Термооптический эффект также проявляется в ПП,
используемых в ЛД.
7.3. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ МОДУЛЯТОРЫ (ЭОМ)
7.3.1. Амплитудный объёмный модулятор на поперечном эффекте
Поккельса включает в себя электрооптическую ячейку (ЭОЯ), состоящую из
одного или двух сомкнутых кристаллов с проводящими обкладками для подачи
управляющего напряжения (рис.7.5,а). Два кристалла с ортогональными осями
применяются для компенсации температурного дрейфа и устранения
начального двулучепреломления при Толщина кристаллов d выбирается
минимально возможной, не превышающей диаметра луча лазера (d«t).
Схема модулятора показана на рис.7.5,б, где 1 - входной поляризатор
(необходимый, если входной луч не поляризован), обеспечивающий
ориентацию вектора под углом 45° к оси; 2 - ЭОЯ, показанная на рис. 7.5,а;
3 - выходной поляризатор- анализатор, выделяющий поляризацию,
ортогональную входной - Едых.
Рис. 7.5. Модулятор на поперечном эффекте Поккельса
До подачи управляющего напряжения модулятор закрыт - свет на выход не
проходит. Из-за управляющего напряжения составляющие Ех и Еу после
прохождения ЭОЯ получают разный фазовый сдвиг, в результате чего после
ЭОЯ поляризация становится эллиптической, т.е. появляется составляющая,
117
ортогональная входной. Эта составляющая, амплитуда которой
пропорциональна управляющему напряжению, выделяется выходным
поляризатором, играющим роль анализатора. Таким образом, производимая
кристаллом фазовая модуляция на выходе ЭОЯ преобразуется в
поляризационную, а после анализатора становится амплитудной.
Модуляционная характеристика в этом случае имеет вид
1 вых ~ ^вх s*n (^^/2), (7.7)
где Аф = 7rU IU сдвиг фазы между двумя необыкновенными волнами:
С/2/2“ полуволновое напряжение, обеспечивающее сдвиг фаз Дср^л и.
следовательно, поворот вектора Е на 90° (эллиптическая поляризация
становится линейной, ортогональной входной поляризации). Соуправляющее
напряжение.
(7.8)
где гппп- поперечный электрооптический коэффициент, который зависит от
типа кристалла и угла его среза. Для большинства материалов полуволновое
напряжение при поперечном эффекте Поккельса составляет несколько сот
вольт.
Для работы на линейном участке модуляционной характеристики
необходимо постоянное смещение U' =U (четвертьволновое), или
О А 4
неуправляемая анизотропная пластинка, обеспечивающая Д(р-тг!2.
7.3.2. Амплитудный модулятор на продольном эффекте Поккельса
имеет схему модулятора, аналогичную случаю поперечного эффекта, но в ЭОЯ
вектор Еупр совпадает с направлением светового пучка. При этом в
обкладках для подведения напряжения сделаны отверстия для прохождения
светового пучка (рис.7,6).
Полуволновое напряжение рассчитывается по аналогичной формуле
^2ял=/1/2и’|Г«/>- (7-9)
где г - продольный электрооптический коэффициент. Конструкция ЭОЯ в
этом случае несколько проще, однако, требуется более высокое управляющее
напряжение ((/л 2пр > 15кВ).
К параметрам ЭОМ, кроме полуволнового напряжения, относятся:
- полоса прозрачности (зависит от типа кристалла);
- входная апертура (зависит от толщины крис галла);
- полоса модулирующего сигнала (зависит от шла кристалла и ёмкости
обкладок, составляет сотни МГц).
118
-коэффициент контрастности -^,,х^акс = Ю...100, т.е. затемнённый
Рвых. мин
модулятор может пропускать 3-7% ;
- оптическая мощность Р < 1 - 5 Вт.
На основе ЭОМ можно обеспечить пространственную модуляцию для пос-
троения управляющих голографических транспарантов, устройств ввода инфор-
мации в ЭВМ, для телевидения и т.д. Управляющий транспарант представляет
собой двухкоординатную матрицу, состоящую из элементарных модуляторов,
управляемых независимо друг от друга (рис.7.7). При этом чаще используется
ключевой режим.
Недостатками объемных ЭОМ являются необходимость высоких
управляющих напряжений, малый коэффициент контрастности, ограниченная
мощность и критичность к температуре.
7.3.3. Одноволноводный электрооптический модулятор представляет
собой отрезок ОВ из ПП /?-типа с нанесенными металлическими управляющими
электродами, из которых верхний образует барьер Шоттки (любой металл,
кроме /4g), а нижний образует омический контакт (Rb, Cz, Ва). ОВ сформирован
гетероэпитаксиальной технологией (рис. 7.8).
Рис. 7.6. Продольная ЭОЯ Рис. 7.7. Управляющий
транспарант
Рис.7.8. Одноволноводный оптическим модулятор
119
Полное изменение коэффициента преломления Ди при подаче
управляющего напряжения, вызывающее изменение коэффициента фазы Д/Л
условно определяется тремя факторами
Дл = Д^/Л=и1-л0 = Дяш„ + Ди,И1 + Длм, (7.10)
где Длхим - обусловлено разной концентрацией примесей А1 (а и Ь), т.е.
обеспечивается технологией: Ди)КН - связано с уменьшением концентрации
носителей в переходе; Ди ^-обусловлено электрооптическим эффектом.
На основе такой конструкции можно сделать фазовый модулятор,
являющийся базовым управляемым элементом более сложных устройств. Для
его работы h и Дихим<-ДнукН выбирается таким образом, чтобы
несимметричный ОВ находился выше отсечки моды Ht и ниже моды Н2, т.е.
согласно (3.7) из условия
9/^ /32 и,Л2>ДикимтДиукн/32n}h2. (7.11)
С другой стороны, известно [2], что условие существования w-мод связано
с концентрациям if носителей
No-N, £(2«-1)(/и'/?ис)П/(4Л2) = —2L, (712)
те 4h
где No, Nt - концентрации носителей в подложке и основном слое: г?*-эффек-
тивная масса электрона: те масса электрона: С^/Ие/е^л28-1013[ 1/Л/|-
обобщенная константа (е-заряд электрона). Следует заметить, что в отличие от
условия (7 11), условие (7.12) не связано явно с длиной волны, но на самом деле
разность NfrNi - 2~2. Из (7.12) можно получить выражение
л-’ °
I».
При подаче напряжения обратной полярности U на диод Шопки ОВ
становится частью обедненного слоя и разность концентраций в некоторых
пределах зависит от управляющего напряжения, что и учитывает слагаемое
Д Л7укн в (7.10). Подставив (7.12) в (7.11), получим при т = 1
JnlK„+Jnulv > fAa-N,) л: ’ (8п, т D) О-' 3)
Влияние электрооптического эффекта в случае -волны (£'У)
учитывается выражением
= n}r4Jb /2Л = rHII,L t,/if = r„,„Ev. (7 14)
где г = 2гпип /п'\ - модифицированный электрооптический коэффициент.
120
U„EU -модулирующие напряжение и напряженность электрического поля.
Для Е-волны (ЕПХ ) изменения Ал не происходит. Так как Дп = ДД/ к,
то АД = ДлА и для //-волны получим сдвиг фаз между Н} и
= Д/Й. = 2* = (л 1 Xa)n}r'(JJ4Ll h)- (7.15)
Л
Достоинством такого модулятора является малая потребляемая мощность -
единицы (мВт-.\1кВт)/(МГц/рад)В рассматриваемом варианте это фазовый
модулятор. Из-за сложностей детектирования фазовая модуляция в оптическом
диапазоне непосредственно не используется. На практике в ОВ вводят пучок
света с поляризацией под углом 45° к оси X. Так как изменение фазы
происходит только для составляющей ЕЛ, то на выходе между составляющими
Еу и Е будет фазовый сдвиг, приводящий к возникновению эллиптической
поляризации с коэффициентом эллиптичности, зависящем от управляющего
напряжения. Поставив на выходе анализатор, выделяем составляющую,
ортогональную входной, т.е. преобразуем поляризационную модуляцию в
амплитудную (как и в объемном модуляторе). В оптических интегральных
схемах в качестве анализатора используется призменное или решетчатое
устройства связи, которые чувствительны к поляризации.
Это же устройство можно использовать непосредственно для модуляции
интенсивности, если Ди подобрать так, чтобы без управляющего напряжения
выполнялось условие отсечки основной моды, т.е.
Ди = Дид„м + Дл>м/ < (1 / 32л. ХА> / Л)2 = (^ - TV, Н2 Kin.Dm / те). (7.16)
При подаче управляющего напряжения Ди изменяется (увеличивается), и ОВ
становится проводящим.
Такой модулятор на GaAs может обеспечить коэффициент модуляции
Л/. ог;=0,95 на Я=/, 15.мк.м для частоты модуляции Е<150МГц и требует мощность
управляющего источника Р^ООмкВт/МГц при \Uynp\<130B.
При использовании LiNbO3 с диффузией Ti Ми(Н)=-19дб на Л=0,63мкм при
\Uvip\<10B.
При ипользовании эффекта Франца-Келдыша на GaAsAlSb на
Л=(0,9+1,2)мкл1\ для F^500.mTц требуется Р^0,1.мВт/МГц при Uytip=-8B.
Задача №11
Рассчитать электрооптический волноводный фазовый модулятор
на основе GaP для моды Hh обеспечивающий максимальный сдвиг фаз
^=180° для Л=0, бЗмкм при концентрациях подложки и
121
волноводного слоя Ni=l -1О1'см* , используя следующие параметры
материала: п0=392; г' =5-10‘псм/В; 9п^9013т^ Епро6~5-10УВ/см. Оценить
роль различных факторов в изменении фазы под действием управляющего
напряжения.
7.3.4. Двухканалъный модулятор можно получить из двухканального
направленного ответвителя (рис.3.6) добавлением двух противофазных
управляющих электродов на области ОВ. При изменении управляющего
напряжения на электродах коэффициенты фазы изменяются в разные стороны,
что позволяет изменять Л/? = Д - Д от нуля (фазового синхронизма и полной
перекачки энергии из первого канала во второй) до значения, обеспечивающего
отключение второго канала = л/Зя- (см.задачу №6). Так как
= Л/7 Л, то для этого требуется изменение Дл-VJтг/AZ. Например,
при h-Змкм из выражения = n*r'UI2h для GaAs получается UU<!OB.
Для реального модулятора на GaAsAI при Л=0,9мкм и сечении ОВ hxW-~ЗхЗмкм
при значении Лп~10 4 необходима напряженность Е-3 104В/см.
7.3.5. ЭОМ типа Маха-Цандлера (MZ!) работает на основе
волноводного варианта интерферометра Маха-Цандлера (рис.7.9), в котором
происходит интерференция двух волн, проходящих разные пути (ОВ-
Рис.7.9. ЭО - модулятор типа Маха-Цандлера
Без управляющего напряжения ОВ одинаковы, и на выходе волны,
приходящие по двум путям, складываются синфазно. образуя ту же основною
моду.
Если управляющее напряжение обеспечивает разность фаз в лв\\ каналах
Л(р^я. то возникающая высшая мода отсекается (это не преобразователь мод!)
На практике точной идентичности ОВ добиться не удается, полом)
подбираются напряжения для включенного и выключенного состояний
Например, модулятор на LiNbO3 с областью ОВ, образованной дифф) шей
Тц при длине L=-38\iv обеспечивает Р^/РМЛк1^22дБ
122
8. УПРАВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
8.1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
8. 1.1. Под пространственными характеристиками понимаются расходи-
мость луча и его положение в пространстве или в заданном канале.
Как известно, расходимость луча определяется размером излучающей
апертуры, а дифракционный предел составляет
= 2<0О s »[рад], (8.1)
где D - диаметр апертуры. В случае лазерного излучения с малой расходимостью
под D можно понимать диаметр луча на выходе из резонатора. Для уменьшения
или увеличения диаметра луча (расходимости) используются линзовые системы,
называемые колличатораии. При помощи линз можно осуществить как преоб-
разование расходящегося пучка (например ППЛ) (рис.8.1,а) в параллельный, так и
изменить диаметр пучка (рис.8.1,6) (на рис.8.1,в показано условное обозначение
линзы на оптических схемах).
а б в
Рис.8.1. Линзовые коллиматоры
8. 1.2. Устройство для изменения положения светового луча в простран-
стве (сканирования) называется дефлектором. Дефлекторы бывают аналого-
выми (с непрерывным сканированием) и цифровыми (с дискретными положе-
ниями луча в пространстве). Принцип работы дефлекторов основан на
изменении п наведённой анизотропии.
Параметры дефлекторов:
/. Ра решающая способность - количество лучей лазера, укладывающих-
ся в секторе сканирования
123
Д<9 А<9
D/2
(8.2)
где ДО- сектор сканирования.
2. Быстродействие r-время, за которое луч проходит сектор
сканирования;
3. Эффективность отклонения - отношение выходной интенсивности к
входной (КПД)
n = (8-3)
Сканирование может быть механическим (при помощи поворотных зеркал,
призм, зеркальных барабанов), недостатком которого является низкое
быстродействие, и немеханическим - с использованием электрооптического,
акустооптического, магнитооптического и др. эффектов.
8.2. ОПТИЧЕСКИЕ КОММУТАТОРЫ И КРОСС-КОММУТАТОРЫ (ОК и
ОКК)
8.2.1. Коммутаторам называется устройство для оперативного
изменения архитектуры ВОСП, оперативной маршрутизации оптических
информационных потоков в сетях доступа и локальных сетях, т.е. они
предназначены для изменения направления световых потоков в ВОСП.
Под коммутатором (переключателем) обычно понимается усгройство с
одним входом (портом) и двумя возможными выходами. Кросс-коммутатор -
это устройство с несколькими входами (портами) и несколькими выходами.
При этом используются матрицы передачи для каждого состояния.
Существует большое количество типов оптических коммутаторов, на
основе различных эффектов - электромеханические, электрооптические,
термооптические, акустооптические, основанные на нелинейных эффектах и
др.
Принцип работы электромеханических коммутаторов аналогичен работе
обычных электромагнитных реле с поворотом зеркал, призм и стеклянных
пластин. Они имеют неплохие электрические характеристики, но малое
быстродействие и чувствительны к вибрациям. При количестве входов/выходов
- (1-2)/1600 коммутатор обеспечивает время переключения t^p = (10-500)мс,
потери - (0,3-1,5) дБ, потребляемую мощность - (2-20) мВт.
До последнего времени в ВСПИ использовались, в основном, электронные
коммутаторы. В оптических сетях различают 4 уровня скоростей
переключения twp.
Низкие скорости переключения (ttKp - 10’3с) достаточны для операций
124
автоматической конфигурации оборудования, например, автоматическое
оптическое байпасное (аварийное) переключение - ОБП (OBS) для обхода
вышедшего из строя блока. При этом требуются большие ёмкости
коммутаторов для большой сети.
Средние скорости ~ Ю^с) достаточны для осуществления защитного
переключения колец или альтернативных маршрутов в сетях для коммутации
сетевого потока (трафика) из одного волокна в другое. Для этого достаточна
ёмкость коммутатора 2x2.
Высокие скорости ~ 10'9с) требуются для коммутации потоков данных.
При этом должно быть существенно меньше времени прохождения
обрабатываемого пакета.
Очень высокие скорости (^>10‘l2c=/nc) требуются для внешней
модуляции светового потока потоком бит данных, т.е. для В - 10 Гбит/с ~
ЮОис.
Ёмкость 16x16 уже считается большой, хотя для электронных
коммутаторов норма 2048x2048 каналов.
К другим показателям коммутаторов относятся: ослабление сигнала в
режиме «выключено» по отношению к режиму «включено» (может изменяться
от 10 до 50 дБ); вносимые потери; отношение мощности сигнала на нужном
выходе к сигналам на других выходах; поляризационные потери коммутатора
(PDL).
8.2.2. Электрооптические коммутаторы (ЭОК, EOS) работают на
основе электрооптического эффекта на оптических волноводах и фактически
представляет собой управляемый направленный ответвитель (НО). Для
одиночного НО получим коммутатор 2x2, но ёмкость можно увеличить путём
их интеграции. Скорость переключения ЭОК =0 0-100)пс (иначе говоря,
это модулятор с коэффициентом модуляции Ммод = 1). Конструктивно
выполняется на ВС из LiNbO3 (рис. 8.2.).
Рис.8.2. Электрооптический коммутатор
ЭОК могут также выполняться по схеме итерферометра Маха-Цандлера
(рис.7.9) и др.
8.2.3. В термооптических коммутаторах используется явление изменения
коэффи-циента преломления под действием температуры. В качестве
125
коммутируемого устройства используется интерферометр Маха-Цандлера
(ИМЦ) и по принципу работы он аналогичен ЭОМ на основе интерферометра
Маха-Цандлера. ИМЦ построен из двух 3-х дБ направленных ответвителей
(НО), связанных двумя ОВ разной длины с K'wz = я/4 (рис.8.3).
Рис. 8.3. Термооптический коммутатор на основе интерферометра Маха-
Цандлера
Учитывая, что каждый НО создаёт на выходах разность фаз л/2, получаем
при подаче сигнала на вход I на выходе 1 сдвиг фаз п + P&L. и на выходе 2 - р
&L. При выборе fl ДА = к п получаем, что сигнал со входа 1 попадает на выход
1, если для него Р &L к -я соответствует нечётному к и на вход 2, если это
равенство соответствует чётному к. Локальный нагрев области А£ и вызывает
изменение к. В качестве материала подложки используются кварц или
специальный полимер с улучшением переходного затухания. При обоих
материалах tnep ~ 2v/c, ёмкость можно сделать 8x8. В диапазоне А =(1530-
1570)/£и при затухании а < 8дБ изоляция достигает 45 дБ, быстродействие т '
З.ис Напряжение питания нагревательного элемента 5 В, габариты корпуса
145x100x20 мм.
8.3. ОПТИЧЕСКИЕ ИЗОЛЯТОРЫ И ЦИРКУЛЯТОРЫ
Назначение, применение и принцип работы оптических изоляторов
(вентилей) и циркуляторов аналогичен СВЧ - вентилям и циркуляторам. Они
широко используются в ВОЛС с оптическими усилителями и часто встроены н
ПП - лазеры для уменьшения влияния отражённой волны, т.е. в качестве
согласующих и развязывающих устройств. Как известно из техники СВЧ.
вентили и циркуляторы являются невзаимными устройствами и, в основном, в
них используются магнитооптические эффекты Фарадея и Коттона-Мутона.
На рис. 8.4. в качестве примера приведена схема изолятора (вентиля),
работающего на основе эффекта Фарадея. Он содержит продольно
намагниченный с помощью постоянного магнита образец железо-
126
Рис.8.4. Фарадеевский оптический изолятор
иттриевого граната hfejO/j (ЖИГ) для Л = 1,3-1,55 мкм или материала на
основе парамагнитного стекла Т1О2 + СаСО2 для А = 0,85 .w/си - 1 и два
поляризатора-анализатора П1, П2. При распространении светового потока
падающей волны слева направо рис.8.4, а. поляризатор П1 выделяет
—>
вертикальную поляризацию Е. После прохождения образца - 1 вектор
—>
Е поворачивается на 45° и проходит через анализатор П2, тоже повёрнутый на
—>
45°. Отражённая волна (рис. 8.4,6) с такой же поляризацией вектора Е тоже
проходит через образец - 1, получает ещё поворот вектора Е на 45°, в
результате чего он не проходит через поляризатор П1. Такие вентили имеют
прямые потери = (1-2) дБ и обратные а^р > 20 дБ. Совместно со скошенным
торцом ВС под углом 80° возможно снизить отражения до 55 дБ. Габариты
изоляторов из ЖИГ - 10x14x1 (лш), а из стекла - 24x23x25 (.илг). В России НПО
«ИРЭ - ПЛЮС» выпускает оптические изоляторы с апр - 0,2 дБ, а^р > 30 дБ на
л = 1,55 мкм.
Оптические циркуляторы направляют световой поток в соседний (по
стрелке) канал и могут быть трёхплечные или Y-циркуляторы (рис.8.5,а) и
четырёхплечные (рис.8.5,б). Принцип их работы аналогичен работе изоляторов,
но конструкции сложнее.
127
Выпускаемые различными фирмами оптические циркуляторы имеют апр <
0,2 дБ в корпусе с размерами 145x100x20 (мм).
9. ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
9.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ФОТОПРИЕМНИКОВ
Фотоприёмником (ФП) называется оптоэлектронный прибор,
чувствительный к оптическому излучению и предназначенный для его
преобразования в электрический сигнал.
В оптоэлектронике, в основном, используются ППФП, работающие на
основе внутреннего фотоэффекта (в отличие от приборов на основе внешнего
фотоэффекта - фотоэлементов).
ФП, в которых возможно осуществление ряда преобразований
оптического принятого сигнала, называются фотоприёмными устройствами
(ФПрУ). В ВОЛС, в основном, используется прямое детектирование
оптического сигнала (некогерентный прием), хотя существуют и ФПрУ с
гетеродинированием, имеющие более высокую чуствительность, но гораздо
более сложные и дорогие (когерентные ВОЛС).
В ФПрУ осуществляется:
- селекция и усиление с помощью объектива входного оптического
излучения;
- детектирование оптического сигнала (преобразование в электрический
сигнал);
- предварительное усиление и простейшая обработка электрического сигнала
(фильтрация, запоминание и др.);
- оптимальное электрическое согласование с последующими электрическими
каскадами.
При необходимости в ФПрУ могут включаться элементы для охлаждения,
термостабилизации, стабилизации рабочей точки и коммутации для
многоэлементных ФПрУ.
Принцип действия ФП так же, как ПП-источников оптического излучения,
основан на квантовых переходах частиц в энергетических уровнях. Для
перехода электрона из связанного состояния (валентной зоны) в свободное
(зону проводимости) в чистом ПП фотону необходимо сообщить энергию
hf > АЕ3, или Лпред [мкм] he)ЬЕ3 = 1,242/ДЕ3 [эВ], (9.1)
128
где ширина запрещённой зоны ЛЕ3 зависит от типа ПП и температуры, т.е. это
переход с поглощением энергии. Если hf<AE3 излучение проходит ПП без
потерь (рис.9.1,а).
б
Рис.9 Л. Энергетические уровни в собственном ПП (а), примесном л- типа (б)
и примесном р- типа (в)
При введении в ПП примесей в запрещённой зоне возникают
дополнительные разрешённые уровни (Ed (донор) в л- типе - рис.9.1,6 и Еа
(акцептор)- в р- типе- рис.9.1,в). В случае примесных ПП в выражения (9.1)
вместо ЛЕз нужно подставить AEd или Недостатком примесных ПП
является то, что при комнатной температуре атомы уже ионизированы и
существует проводимость. Это приводит к увеличению темновых токов и
поэтому такие ФП нужно охлаждать.
В любом из этих случаев под действием светового потока в ПП возникают
свободные носители или изменяется их концентрация. Это явление и
называется внутренним фотоэффектом. Проводимость пропорциональна
концентрации носителей и увеличивается под действием светового потока, но
энергетическое распределение носителей и их кинетическая энергия при этом
не меняются. В чистом виде это явление (фоторезистивный эффект)
используется в однородных ПП - фоторезисторах (ФР). В ВОЛС используется
фотогальванический эффект. проявляющийся в неоднородных ПП -
фотодиодах (ФД) и фототранзисторах (ФТ). Время жизни фотоносителей
определяется процессами рекомбинации (10‘2 - 10"' с) и определяется объёмной
и поверхностной зонными структурами ПП.
9.2. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОПРИЁМНИКОВ
Существует несколько видов классификации ФПрУ по различным
признакам, но в ВОЛС применяются, в основном, одноэлементные
неохлаждаемые как дискретные, так и интегральные ФПрУ.
129
Параметры ФП подразделяются на фотоэлектрические, геометрические,
конструктивные и эксплуатационные, но большинство параметров те же, что и
у всех ПП приборов. Специфическими являются фотоэлектрические:
- чувствительность (фоточувствительность) - S характеризует реакцию
ФП на воздействие потока излучения Р^. Различают вольтовую Su и токовую St
чувствительности
ps
S,
Pz'
где l/ф, 1ф - напряжение и ток нагрузки ФП. Иногда используют удельную
чувствительность на 1В питающего напряжения; интегральную
чувствительность (во всём спектре сигнала) Swm и спектральную
(монохроматическую) 5д(2), которая может быть абсолютной и относительной;
- квантовый выход (критерий чувствительности) определяется как
отношение числа генерируемых электронно-дырочных пар к числу фотонов
Уф, который можно выразить, как
Цз=д_ = 1ф/± (9.2)
*ф Pz/hf
где q - заряд частицы; h - постоянная Планка.
Из (9.2) можно получить Si
= (9.3)
hf 1,24
- коэффициент поглощения материала ФП К^Х) является одним из
основных факторов, определяющих S/ и
- постоянная времени ФП т - интервал времени после прекращения
облучения, по истечении которого напряжение сигнала уменьшится в е=2.72 раза.
Определяется т межэлектродными расстояниями и временем пролёта
генерируемых фотоносителей, RC- цепи нагрузки и т.д. Параметр т определяет
верхнюю граничную частоту модуляции, для которой чувствительность снижается
до 0,707 от немодулированного сигнала, т.е. f* 1/т;
- пороговый поток (пороговая чувствительность) Ф^р показывает
возможность регистрации малых оптических сигналов на фоне шумов. Понятие
пороговой чуствительности используется, например, при определении
130
энергетического потенциала канала связи в ВОЛС. Обычно учитываются четыре
источника шумов Фш:
1. Тепловые шумы - <Dm~bfTRH (Г- абсолютная температура; Д, - сопротивление
нагрузки ФП) - «белый » шум, не зависящий от спектра и уровня сигнала;
2. Дробовые шумы - (возникают за счёт дискретности потока частиц) -
«белый» шум, зависящий от уровня сигнала;
3. Избыточные шумы - ~\/f (возникают из-за неоднородности ПП);
4. Радиационные шумы (флуктуационные, фоновые). Их рассматривают, как
вероятност-ный процесс и оценивают дисперсией АФ2 ~ А[, поэтому
Фрад ~ •
Первые три источника являются внутренними, а четвертый - внешним шумом.
Если в радиоприёмных устройствах полоса частот РПрУ совпадает с полосой
сигнала (в обычно применяемом супергетеродинном РПрУ она обеспечивается
УПЧ), то пользуются интегральным пороговым потоком в полосе частот. В ФПрУ
обычно применяется схема детекторного приёмника, полоса которого намного
шире полосы частот сигнала, поэтому, кроме интегральной величины во всей
полосе (Ф/юД^м])» пользуются спектральным пороговым потоком, имеющим
размерность, определяемую преобладающими шумами. Например, если
преобладают тепловые шумы и невозможна фоновая засветка (в ВОЛС), то
спектральная пороговая чувствительность Ф^ имеет размерность [Вт/Гц}, а
если преобладают фоновые шумы в системах автоматики, то [Вт / у[Гц]•
Иногда пользуются обратной величиной - обнаружительной способностью
ФП- О=\/Фпор, которая тоже может быть интегральной, спектральной и
удельной (на см2). В ВОЛС пороговая чустивительность часто указывается в
дБм (децибелл относительно 1 мВт).
Понятие порогового потока используется при определении энергетического
потенциала канала связи, который тоже может быть спектральным и
интегральным (см.2.4).
9.3. ФОТОДИОДЫ С ОБЫЧНЫМ P-N ПЕРЕХОДОМ
В фотодиодах (ФД) используется один из видов внутреннего фотоэффекта,
называемый фотовольтаническим эффектом. Он проявляется в неоднородных
ПП с р-п переходом или другим видом потенциального барьера.
Один из вариантов конструкции гомофотодиода (ФД) показан на рис.9.2,а.
131
Один из электродов делается полупрозрачным или с отверстием для
прохождения светового потока. Основным светочувствительным элементом
является область d0 вблизи р-п перехода. В качестве материалов используются
Ge и Si.
В равновесном состоянии (до воздействия света) в области dQ присутствует
контактное поле, образовавшееся в результате переноса некоторого количества
электронов в p-область и дырок в «-область. Это поле препятствует попаданию
в область da электронов и дырок, поэтому область становится обеднённой
носителями. Энергетическая характеристика в этом случае не отличается от
любого р-п перехода (например, светодиода или лазерного диода) - рис. 9.2.6
При освещении р-п перехода светом с энергией большей, чем AE=EL-E, . по обе
стороны перехода и в самом переходе возникают пары элеклрон-дырка. которые
движутся (диффундируют) к р-п переходу. Для основных носителей (дырок в
p-области и электронов в «-области) поле перехода является тормозящим. а для
неосновных - ускоряющим, так как носители стремятся к состоянию с меньшей
энергией (рис.9.2,в). Поэтому основные носители собираются в своих областях
(электроны в «-области и дырки в p-области). Иначе говоря, создаются
объёмные заряды, в результате чего и возникает разность потенциалов -
фотоЭДС. а во внешней цепи - фототок Вклад в фотоЭДС дают лишь те
носители, которые генерируются внутри и вблизи области объёмного заряда на
расстояниях меньших L„ и Lp. Эти расстояния, которые носители успевают
пройти за своё время жизни г. называются диффузионными длинами. В
противном случае они не успевают дойти до р-н перехода и рекомбинируют.
Такого рода потери неосновных носителей характеризуются коэффициентом
собирания Кию.
С увеличением светового потока фотоЭДС растёт нелинейно, так как она
смещает р-п переход в прямом направлении и снижает высоту барьера для
электронов и дырок. Это облегчает переход быстрых электронов в p-область и
поэтому рост С1ф с увеличением Ф постепенно замедляется.
Режим работы ФД. при котором он непосредственно подключается к на-
грузке без источника смещения, называется вентильным (фотога !ъваническим.
фотогенераторным). В этом случае напряжение холостого хода (фотоЭДС)
ив =—1п(1 /1В+1). (94)
Н е ф 7
где 1т - вентильный темновой ток неосновных носителей; А-постоянная
Больцмана; е- заряд электрона. Т- абсолютная температура. /(/,-5/Ф
Если к р-п переходу приложить обратное (запирающее) напряжение, то оно
132
Рис.9.2. Конструкция ФД и его энергетические диаграммы
препятствует движению основных носителей и возникает фототок,
образованный неосновными носителями. Такой режим работы ФД называется
фотодиодным.
В общем случае выражение вольт-амперной характеристики (ВАХ) ФД
имеет вид
г г( е(ик~ип) Л 7
/ = А ехр-Ц—^-l -/ф.
\ кТ J
' (9.5)
где падение напряжения на нагрузке Rl(; ип - напряжение источника
питания: 1Г фотодиодный темновой ток. ВАХ ФД показана на рис.9.3.
Рабочими являются третий и четвертый квадранты ВАХ.
Третий квадрант показывает фотодиодный режим. Схемы включения ФД
показаны на рис.9.4,а,б. Поскольку 1ф^Ф и 5У=ЗДП то т.е.
напряжение пропорционально R,„ а /ф от R„ и ип не зависит. От ип и R„ зависит
динамический диапазон воспринимаемых освещённостей. Это показывает и на-
грузочная прямая, соответствующая определённому RH.
Так как и полный ток /=//+/ф^/ф, то в пределах динамического
диапазона наблюдается линейная зависимость фототока от освещённости, что
является основным достоинством фотодиодного режима. Для повышения
вольтовой чувствительности S„ и динамического диапазона необходимо
увеличивать ип и R„, но RMMM~un/(hMaM-+li) ограничено возможностью пробоя.
Для устранения влияния постоянной фоновой засветки при модулированном
световом потоке вместо R„ ставится дроссель L (рис.9.4,в) или используется
трансформатор (рис.9.4,г). В этом случае для фона Z,. мало, а для сигнала -
велико. Недостатками фотодиодного режима являются необходимость
источника Un и повышенный уровень шума.
Четвёртый квадрант ВАХ показывает вентильный режим, схемы включения
показаны на рис.9.6 и аналогичны рис.9.4. На рис.9.3 показана нагрузочная
прямая, а площадь заштрихованного прямоугольника равна мощности,
отдаваемой в нагрузку, т.е. иф!ф=Рн. Оптимальным режимом, например,
солнечных батарей, в которых используется вентильный режим, является
обеспечивающее максимальную Рн при определённой освещённости. Отсюда
следует, что оптимизация RH во всём диапазоне освещённостей невозможна.
Вольтовая чувствительность уменьшается с ростом освещённостей и при
известном 1фмакс - Sj0MaKC максимальное сопротивление нагрузки:
Рис.9.4. Схемы включения ФД в фотодиодном режиме
134
Рис.9.5. Зависимость 1Ф (Ф) в фотодиодном режиме
а б в г
Рис.9.6. Схемы подключения ФД в вентильном режиме
где sf- токовая чувствительность в вентильном режиме. Достоинствами
вентильного режима являются отсутствие источника питания и меньший
уровень шумов. Недостатками являются меньшая чувствительность и
большая нелинейность фототока 1ф(Ф). Поэтому вентильный режим может
применяться только для импульсных сигналов.
Достоинства ФД по сравнению с ФР:
- большие значения темнового сопротивления;
- повышенные быстродействие (за счёт большой скорости дрейфа носителей
в области р-п перехода с сильным электрическим полем) и чувствительность (за
счёт увеличения коэффициента собирания);
- меньше пороговая чувствительность из-за использования больших Я,
(малых обратных токов);
• меньшая температурная зависимость параметров.
Однако ФД с обычным переходом имеют сравнительно малый КСОб< 1 и
ограниченное быстродействие.
135
9.4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ФОТОДИОДОВ
9.4.1. Для повышения чувствительности и быстродействия созданы
p-i-n фотодиоды, лавинные фотодиоды (ЛФД) и гетерофотодиоды (ГФД).
Варианты конструкций p-i-n фотодиода показаны на рис.9.7,а,б, где р\ п-
области с высокой концентрацией носителей; / - высокоомная область с
собственной проводимостью ПП (без примесей). В этом случае область
объемного заряда распространяется на всю / область. Повышение
быстродействия у p-i-n фотодиодов происходит за счёт уменьшения барьерной
ёмкости перехода и сопротивления р\ п - областей и перехода от процессов
диффузии фотоносителей к дрейфу с большой скоростью в сильном
электрическом поле за счет большого 1/л. Повышение чувствительности
происходит за счёт снижения потерь рекомбинации (т.е. —> 1) и
возможности поглощения длинноволновых фотонов из-за увеличения области
объёмного заряда.На рис.9.7,а,б, в показано: 1- просветляющее покрытие; 2-
омические контакты; 3- отражающее покрытие. Обычно в качестве материала
используется Si p-i-n ФД имеют следующие параметры при 2=0,9 мкм: fep-
несколько ГГц\ S«0,5 А/Вт\ 1-^5 мкА', им/рЯМ В.
Недостатками p-i-n ФД являются: повышенные теневые токи /г, низкая
воспроизводимость, радиационная стойкость и повышенный уровень шума (за
счёт Ффоб).
Рис.9.7. Варианты p-i-n ФД
9.4.2. На рис 9.7,в показан интегрально-оптический фотоприемник на
GaAs, являющийся соединением оптического волновода и p-i-n фотодиода.
Фотодиод работает в фотодиодном режиме и подбором напряжения смещения
можно добиться согласования коэффициентов фазы в ОВ и i- области, а
подбором длины области взаимодействия L обеспечить 100% квантовый выход
(L- 1-Злш). В этом варианте ФП устраняется временная задержка, связанная с
136
диффузией фотоносителей, так как фотоны поглощаются непосредственно в / -
области и уменьшается ёмкость ФД, что повышает его предельную частоту
>2 ГГц.
9.4.3. У идеального ФД при Кс0^1 для мощности излучения Р=1 нВт
фототок 1Ф «1 нА. Такие сигналы трудно усиливать из-за соизмеримости с
шумами усилителя. Значительного увеличения пороговой чувствительности
можно добиться в лавинных фотодиодах (ЛФД), работа которых основана на
лавинном умножении носителей при и^р «u,^ так как в этом случае возникает
внутреннее усиление.
Эффект лавинного умножения состоит в том, что фотоносители
приобретают дополнительную энергию, достаточную для ионизации узлов
решетки с образованием новых электронно-дырочных пар. Коэффициент
умножения
где т= 1,5-2 для p-SZ; m=3,4-4 для n-Si. Хотя возможно значение Л/^<105,
оптимальными являются Л/у=20-200 при =15-60 В. ВАХ ЛФД можно
записать как 1ф-1фдМу(/<\00ГГц ), где 1ФД - фототок обычного фотодиода.
Консзрукции ЛФД подобна конструкциям p-i-n ФД, кроме Si и Ge,
используется GaAs. ЛФД являются основным типом ФП для ВОЛС большой
протяженности.
Недостатком ЛФД является требование жёсткой стабилизации питающего
напряжения (0,0014-0,1)% и темперагуры ±0,1°С. ЛФД и p-i-n ФД имеют низкую
пороговую чувствительность в коротковолновой области из-за сильного
поглощения света в приповерхностных слоях за счёт роста дробовых шумов
(Флроб-М,2-3).
9.4.4. Наиболее перспективными ФП являются гетерофотодиоды
(ГФД), так как в них принципиально возможна эффективность преобразования
100%. Это достигается использованием многослойной структуры с
широкозонным окном (AEi>hf), через которое освещается узкозонный материал
(AE2<hf), и тем, что удаётся добиться практически полного совмещения зоны
поглощения и области объёмного заряда. Процессы рекомбинации вне этой
области отсутствуют. Спектральные характеристики имеют П-образную форму,
ограниченную значениями AEt и ДЕъ которые могут быть обеспечены любыми.
ЛФД имеют высокие КПД, чувствительность и малую постоянную
времени. В качестве материалов используются прямозонные двухкомпонентные
137
времени. В качестве материалов используются прямозонные двухкомпонентные
ПП типа АщВу, АцВп и более сложные 3- или 4-компонентные соединения,
применяемые в ЛД (см.п.р.5.9).
Для систем WDM разработаны селективные ФД, позволяющие отказаться
от оптических ДМП (см.п.р.4.3). Их работа основана на использовании
дифракционной решетки и конструкция аналогична ЛД с РОС (см.п.р.5.13). Для
приема двухчастотного кода HDB - 3(см.п.р.10.2) разработаны сдвоенные
балансные ФД, обеспечивающие повышение отношения S/N. Из других типов
ФПр следует отметить фотоварикапы, фототиристоры, фототранзисторы и
др-
9.4.5. В ВОЛС ФПрУ объединяется в фотоприёмный модуль,
примерная функциональная схема которого показана на рис.9.8, где 1-ФД с
оптической системой и оптическим разъёмом для ВОЛС; 2- предварительный
усилитель с термостабилизацией и регулировкой чувствительности; 3-
усилитель с АРУ; 4-демодулятор (восстановитель формы импульса) с
цифровым (1) и аналоговым (2) выходами; 5- стабилизатор питания.
Рис.9.8. Фотоприемный модуль
В настоящее время разработаны и освоены промышленностью широкая
номенклатура фотоприемных модулей для ВОЛС. В России такие модули
выпускают предприятия «ТЕЛАЗ» (модули ПРОМ-363, 364 для В
=(2,048-3 ЮМбит/с)), ГПНИИ «ПОЛЮС» {модули ФПМ для В=(1-622
Мбит/с)) с p-i-n ФД
Модули представляют собой герметичный корпус с 15 выводами и
оптическим разъемом, с габаритами 14,5x19,5x8,5 (мм), впаиваемый в печатную
плату подобно обычной микросхеме.
10. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
(ВОСП)
10.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ВОСП
Волоконно-оптические системы передачи информации (ВОСП) включают
138
как оптические и оптоэлектронные узлы, так и чисто электронные узлы. В
настоящее время, в основном, используются (ВОСП) с модуляцией
интенсивности (МИ), т.е. с амплитудной модуляцией (AM) оптического
излучения. Имеются сведения и о когерентных ВОСП с гетеродированием,
позволяющих использовать ЧМ и ФМ, однако, из-за большой сложности они
пока не нашли большого применения.
В ВОСП с модуляцией интенсивности применяются, в основном, те же
принципы, что и в проводных сетях: методы частотного и временного
разделения каналов (ЧРК и ВРК). В методе ЧРК чаще применяется аналоговая
форма представления сигналов, а в методе ВРК - цифровая форма с импульсно-
кодовой модуляцией (ИКМ). Во всех случаях ВОСП электрический
сформированный сигнал модулирует оптическую несущую с использованием
как внутренней модуляции ( для малых скоростей передачи информации - В),
так и внешней.
Аналоговые ВОСП требуют высокой линейности всего тракта, что трудно
обеспечить в оптических сетях, и поэтому применяются в коротких ВОСП во
внутренних и локальных сетях.
Наибольшее распространение получили цифровые ВОСП, которые
первоначально предназначались для телефонной связи ( передачи речи) в
проводных линиях связи. Поскольку для передачи речи принята
оптимизированная полоса частот по уровню разборчивости 300-3400 Гц, то в
качестве стандарта с запасом используется полоса 4кГц (канал тональной
частоты). Исходя из теоремы Котельникова-Найквиста, частота
дискретизации fo для ИКМ составляет />=2/^=# кГц (период дискретизации
ТО~125 мкс). Амплитуды выборок кодируются в виде 7 или 8-битового кода (
N-7-8), число уровней квантования М=2". №я речи с динамическим
диапазоном 30-35д£> требуется 256 уровней квантования, что соответствует 5
разрядам, а для музыки с динамическим диапазоном 80дБ требуется 16254
уровня, что соответствует 14 разрядам. Фактически используется нелинейное
квантование уровней, эквивалентное 13 битам (8192 уровня) для повышения
качества речи. Так как выборки передаются последовательно, то получается
цифровой поток, называемый основным цифровым каналом - ОЦК (DSF), со
скоростью передачи Воцк = 64 кбит/с (Воцк =/0И=йкГц% бит) в европейском
стандарте С Е Р Т (Комитет европейских почт и телеграфов) ( Е Т S I ).
Например, один телевизионный канал с полосой 8,5 МГц требует 3600 ОЦК.
Для одновременной передачи нескольких каналов применяется цифровое
уплотнение - временное разделение каналов или временное
мультиплексирование/ демультиплекси-рование ( МП/ДМП). По типу МП/ДМП
цифровые ВОСП подразделяются на плезиохронные, синхронные и
когерентные.
139
10.2. ПЛЕЗИОХРОННАЯ ЦИФРОВАЯ ИЕРАРХИЯ
10.2.1 Основой плезиохронной цифровой иерархии ПЦИ (PDH) является
групповой (суммарный) цифровой канал, который формируется методом
временного разделения каналов, состоящий в том. что импульсы ОЦК
квантуются во времени на более короткие импульсы, которые затем с
соответствующими временными сдвигами ( интервалами коммутации или
тайм-слотами) - ДгА располагаются в один ряд с использованием электронного
коммутатора, образуя новый групповой цифровой поток. Частота этого
временного потока называется тактовой. Для выделения каналов на приёме в
каждый ОЦК добавляются идентификационные синхроимпульсы. Операция
образования группового потока из нескольких ОЦК называется мульти-
плексированием с временным разделением каналов. Это мультиплексирование
осуществляется методом линейного кодирования, для чего применяется ряд
двоичных кодов.
В соответствии со стандартом ITU-T в Европе в линиях связи передаётся 30
ОЦК и два дополнительных канала сигнализации и управления, т.е. всего п = 32
канала. Скорость передачи группового цифрового потока определяется как В,ч„
~ п -Воцк - 32 • 64 = 2048 кбит/с = 2,048 Мбит/с, что является также тактовой
частотой. Групповой цифровой канал с указанной скоростью называется
первичным цифровым каналом - ПЦК (Р57)При этом -
длительность интервала коммутации ( тайм-слота) составляет Л/А - /’,
/п-125/132 ~ 4 мкс, а один цикл дискретизации ( кадр или фрейм) состоит из 32
тайм-слотов (рис. 10.1).
В США и Канаде ПЦК имеет скорость передачи Вг1,к - 1544 кбит е при 24
тайм-слотах во фрейме.
Дальнейшее уплотнение производится аналогичным методом с тактовой
частотой, увеличивающейся в 4 раза и таким образом получаются цифровые
иерархии (ЦИ). При этом вводятся дополнительные биты для идентификации
Окончательно получаются следующие цифровые иерархии со своими
обозначениями:
EI - первичная ( 2048 кбит/с), п~ 30+2:
140
Е2 - вторичная (8448 кбит/'с), п = 120+8;
ЕЗ - третичная (34368 кбит/с), п « 480;
Е4 - четверичная (139264 кбит/с). п~ 1920;
Е5 - пятеричная (564992 кбит/с). п « 7680.
В перечисленных ЦИ тактовые частоты соседних, а тем более отдалённых
уровней не обязательно должны быть синхронизированы, т.е. получается
асинхронное объединение потоков, но они близки по значению и могут входить
в полосу захвата канала синхронизации при помощи так называемой
стаффинговой синхронизации, т.е. они почти синхронные. Поэтому такие
системы и получили название плезиохронные цифровые системы передачи, а
цифровая иерархия - плезиохронной цифровой иерархией - ПЦИ (PDH).
Из-за узкой полосы и больших потерь в ВЧ-и СВЧ-линиях передачи для
систем El, Е2 необходима длина участка регенерации 1рсе < 1,5 км, что
экономически неэффективно. Основным же недостатком ПЦИ является
невозможность выделить один поток на промежуточном пункте без полного
демультиплексирования. Поэтому в проводных линиях передачи и радио-
релейных линиях применялись иерархии не выше Е2. Для ВОЛС El, Е2
обеспечивают 1^.= 200 км, для ЕЗ, Е4 7^,.. > 100 км, что значительно снизило
стоимость передачи информации.
10.2.2. Существует несколько основных форматов линейных кодов. Д1я
передачи по ВОЛС используется только модуляция интенсивности, т.е.
униполярные варианты линейных кодов, например, A7?Z (без возврата к нулю) и
RZ (с возвратом к нулю) (рис. 10.2).
Достоинством NRZ является вдвое меньшая полоса частоты по сравнению с RZ,
а недостатком - ’изменяющаяся постоянная составляющая, играющая роль
фоновой засветки, ухудшающая условия приёма и восстановления сигнала
синхронизации. В коде RZ з ги недостатки проявляются меньше, но требуется
141
большая полоса частот. Эти недостатки устраняются в специальных кодах, или
применением специального шифрования сигнала. называемого
скремблированием. не изменяющего полосу частот. Для иерархий Ek Е2, ЕЗ
применяется 3-уровневый код HDB-3
Рис 10.3. Реализации кода HDB-3
(дву полярный код высокой плотности порядка 3 с инверсией на «1>>. в котором
каждый блок 0000 заменяется на 000V или В001\ где ^-вставка «1», чтобы число
В импульсов между последовательными Г-импульсамн было чётным). В случае
электрического сигнала код HDB-3 не имеет постоянной составляющей (рис.
10.3,а). Реализация этого кода в оптическом тракте с постоянной составляющей
/п (рис. 10.3,6) не применяется из-за увеличения шумов, зависимости /,, от
содержания сообщения и неэффективности использования источника
оптического излучения (ЛД или СД). Эти недостатки устраняются при
использовании разных оптических длин волн /,. и /.? для передачи
разнополярных импульсов (рис 10.3.я). Код HDB 3 является стыковым для
сопряжения электрических входов и выходов ВОЛС. но реально в ВОЛС для
ПЦИ El, Е2, ЕЗ используется преобразование кода HDB-3 в другой линейный
код - СМ! или МСМ1 с двукратным увеличением тактовой частоты. В более
скоростных системах (Е4, Е5) используются линейные коды 5В6В. 10B1PIR и
др.
10.2.3. На рис. 10.4 представлена обобщённая структурная схема одно-
пролётной ВОЛС без промежуточных пунктов, где обозначено:
I, 9 -электронные мультиплексоры (демультиплексоры) для объединения
(разъединения) нескольких ОЦК в ПЦК;
2, 10 - электронные мультиплексоры (демультиплексоры для объединения)
(разъединения) 4-х каналов ПЦК из F1 в Е2 и преобразования кода HDB 3 в код
CMI;
3 - блок согласования и накачки излу чателя 4:
142
Рис. 10.4. Обобщённая структурная схема однопролётной ВОЛС с иерархией Е2
5 - блок стабилизации выходной оптической мощности и стабилизации
температуры излучателя - 4 (3, 4, 5 входят в передающий оптический модуль -
ПОМ);
6 - фотоприёмное устройство;
7 - источник напряжения для ПРОМ;
8 - электронный усилитель (6 и 7 могут входить в приёмный оптический
модуль-ПРОМ);
11 - оптические разъёмы;
12 - оптический кабель.
10.2.4 . Ранее выпускалось и выпускается в России и за рубежом
большое количество оборудования систем связи ПЦИ:
Е1 - В = 2.048 Мбит/с местные и объектовые линии связи или ответвления от
зоновой и магистральной линии. Расстояния / до (100-150) км; В = 2,048
Мбит/с. В России выпускаются: ЛОТ-1Ц1 (А = 1300 или 1550 мкм);
ЛОТ-Щ2 (А = 1300 и 1550 нм); Т31 (А = 1300 нм Ь ОМВС;
Е2 - В 8,488 Мбит/с - для внутризоновых сетей, разработки 80-х годов:
Соната-2, ИКМ-120-5, Сопка-2 (А = 850 нм, 1300 нм). ОЛТ-025, Т-41
(ОМВС); Производятся в настоящее время ОВГ-25.
ЕЗ - В = 34.368 Мбит/с. 480 каналов, расстояния до 100 км. 1^ = 30 км. Ранее
выпускалась в России, но уже не производится Сопка-3 (градиентные
ММВС, А = 1300 нм). Производятся в России ОТЛС-31; зарубежными
фирмами: PHILIPS-PLE2-34 (ОМВС), LS34S/CXOF; LGIC-STARMUX-34F
и др.
Е4 - В ~ 155.52 Мбит/с, 1920 каналов, расстояние до 830 км. Ранее
выпускались Сопка-4, STM-1 (А = 1300 нм, ОМВС). Производятся в
России Т316, Т316 (21Е1) - для внутризонной, межрайонной и
магистральной связи. Некоторые могут быть интегрированы в СЦИ. Фирма
PHILIPS - PLE2-140 (140 Мбит/с) и др.
143
10.3. СИСТЕМЫ СИНХРОННОЙ ЦИФРОВОЙ ИЕРАРХИИ
10.3.1. Необходимость создания систем синхронной цифровой иерархии
- СЦИ (SDN) возникла при реализации глобальной информационной
интегрированной сети, что невозможно в плезиохронных системах.
Международное соглашение о создании СЦИ достигнуто в 1988 г. в Сеуле на
заседании комиссии МККТ-Т (ITU-T). На основе СЦИ в разных странах
созданы системы: SONET (США, Канада, Япония) и SDH (Европа). Системы
совместимы с ПЦИ-Е4 (140 Мбит/с). Для этого в Е4 введена избыточность в
виде дополнительных бит, вследствие чего скорость возросла до 155,52 Мбит/с,
Эта скорость является основной, а формат получил название - синхронный
транспортный модуль STM-1. В США также изменили ПЦИ с 44,736 до 51,84
Мбит/с (51,84-3 - 155,52 Мбит/с) для стыковки систем SONET/SDH. В
результате получена следующая градация скоростей потоков СЦИ (трибы
СЦИ):
STM-1 В=155,520 Мбит/с,
STM-4 В=622,08 Мбит/с,
STM-16 Ь=2,ШГбит/с,
STM-64 В=9,953 Гбит/с,
STM-256 В~ 40 Гбит/с - в перспективе.
В СЦИ используется центральный опорный генератор синхрочастоты
(таймер), вследствие чего средняя частота всех местных задающих генераторов
синхронизирована с точностью 10’9. Это позволяет ввести идентификационные
биты, что позволяет получить целый ряд преимуществ СЦИ:
возможность выделения из общего потока СЦИ потоков более низкого
уровня вплоть до Е1 без полного демультиплексирования (или введение такого
потока);
упрощение общей структуры оборудования СЦИ, так как все функции
ввода-вывода выполняет один мультиплексор (в том числе ввод-вывод Е1 ПЦК
из потока (фрейма) STM-1;
- возможность выделения цифровых потоков любого уровня, делая сети
более гибкими;
- скорость передачи групповых сигналов на стыках сетевых узлов
совпадает в системах СЦИ с линейными скоростями - не нужны
преобразователи стыкового кода в линейный;
возможна автоматическая коммутация и дистанционное компьютерное
управление сетью из одного центра. Реконфигурация сети занимает считанные
секунды.
10.3.2. Согласно рекомендациям стандартов G.957, G.691 в аппаратуре
СЦИ регламентируются оптические и электрические интерфейсы (стыки) на
следующие параметры ВОЛС: диапазон X ширина спектральной линии
источника излучения АХ, мощность излучения Р^, коэффициент экстинкции
144
(модуляции), пороговая чувствительность ФПрУ - Ф^, относительный уровень
ошибок по битам (BER) и др. Параметры ОМВС регламентируются
рекомендациями G.652, G.653, G.655 в зависимости от требуемых скорости В и
длины ВОЛС - Imkc. Если энергетического потенциала ВОЛС не хватает,
используются оптические усилители (рекомендации G.691).
Стандартизированы все оптические разъемы (FC, PC), внутренние шнуры, тип и
габариты плат, ячеек, габариты блоков и стоек, потребляемая мощность и
напряжение питания.
одиночные ВС
hjimWDM
Рис.10.5. Обобщенная структурная схема ВОСП с СЦИ
Структурно аппаратура СЦИ состоит из следующих блоков: оборудование
внешнего доступа, синхронный линейный регенератор, синхронные разветви-
145
ительные мультиплексоры (МП). Кроме этого, в неё входят система управления
и контроля, блоки аварийной и предаварийной сигнализации с автоматическим
отключением ЛД блоки питания, защиты от перегрузок и внешних воздействий
(в т.ч. электромагнитных полей) и т.д.
Информация от внешних датчиков сводится на персональный компьютер.
На дисплей выводятся значения всех оптических и электрических параметров
всего участка сети. Предусмотрена возможность управления конфигурацией
сети.
На рис. 10.5 представлен пример обобщённой структурной схемы
передающей (приёмной) части ВОСП с СЦИ. основой которой является шинная
система.
Системы с СЦИ для передачи на малые расстояния (/ < 60 км) используют
диапазон «О» (Я = 1260 - 1360 нм), а для / ~ 60-100 км - диапазон «С» (А = 1530
- 1565 нм). Используется оптическое мультиплексирование WDM и DWDM,
при которых возможно передавать 8, 16, 32, 40. 80. 160, 320 оптических
несущих на один ОМВС. В перспективе возможно передавать 40 Гбит/с на
одну несущую, т.е. через один ОМВС 40 • 160 = 6400 Гбит/с = 6,4 Тбит/с.
Наибольшие трудности при передаче таких потоков в регенераторах, если не
используются оптические усилители.
В настоящее время оборудование СЦИ производят фирмы LUCENT
TECHNOLOGIES (США). ALKATEL TELECOM (Германия, США), SIEMENS
(Германия), NEC (Япония). На основе СЦИ разработаны асинхронные режимы
передачи сообщений (ATM), сети Lxthernet для корпоративной компьютерной
связи и всемирная сеть Internet.
10.4. МЕТОД ЧАСТОТНОГО УПЛОТНЕНИЯ
Метод частотного утотнения (FDM) используется как для цифровых
сигналов, так и для аналоговых. Оптическая несущая модулируется по
интенсивности групповым информационным сигналом, спектр которого
состоит из ряда частот поднесущих fa, число которых равно
члслукомпонентных информационных потоков. При этом должны выполняться
условия:
fa > 10 fa/n : ДД, > faith
где fhtn~ верхняя частота спектра информационного потока; Д/,„ частотный
интервал между поднесущими. При этом используется модуляция с одной
боковой и подавленной несущей. Например, для телефонной связи
используется основная канальная группа - 12 телефонных каналов тональной
частоты (4 кГц) - 1 уровень. 5 канальных групп по 12 каналов, т.е. 60
телефонных каналов - II уровень, и 5 супергрупп по 60 каналов - 300 каналов -
111 уровень и т.д.
146
Для уменьшения перекрёстных помех при модуляции оптического
излучения передаточная характеристика электронного устройства частотного
уплотнения и ватт-амперная характеристика ЛД должны иметь повышенную
линейность в широком диапазоне уровней. Поэтому коэффициент модуляции
(экстинции) оптического излучения зависит от количества каналов и, обычно,
не превышает 10%. На приёмном конце поднесущие выделяются
узкополосными фильтрами.
FDM применяется, например, в кабельном телевидении, где для этой цели
выделен диапазон частот (47-862) Л/Гц, т.е. метровый и дециметровый
диапазоны телевидения (с 1 по 69 каналы при полосе (6-8) Л/Гц на канал). При
этом чаще всего оптическая связь осуществляется между головным центром и
несколькими районными центрами, а от районных центров к абонентам идёт
коаксиальный кабель.
Существует 3 метода для систем кабельного телевидения:
1. Непосредственная модуляция ЛД суммарным сигналом всех каналов.
При этом не нужно конвертировать сигналы, но отношение сигнал/шум S/N <
53 дБ из-за комбинационных частот.
2. Метод ЧМ - каждый канал модулирует свою поднесущую, например, 8,
16, 24 поднесущих - это групповой сигнал в одном ВС. В ВС остаётся
модуляция интенсивности. При этом получается наивысшее качество с S/N = 67
дБ, используется в США, как основной.
3. Цифровой метод - самый дорогой. Для передачи различных видов
информации необходимы следующие скорости:
- обычное телевидение 1,544 Мбит/с (но возможно сжатие);
- телевидение высокой чёткосги 20 Мбит/с\
- интернет 2 Мбит/с - прямой канал;
128 кбит/с - обратный канал;
- телефон 64 кбит^с.
Примером реализации системы кабельного телевидения является система AHrS
3020 компании LUCENT TECHNOLOGES (США). Она предназначена для
передачи 60 телевизионных каналов, одного канала УКВ стереорадиовещания и
предусмотрен обратный канал (5-30 МГц). Максимальная длина ВОЛС - 60км.
если коаксиальные участки имеют длину больше 500м, то предусмотрены
электронные усилители (максимальная длина 2км). Оптический участок имеет
кольцевую конфигурацию с коаксиальными ответвлениями.
В Таганроге работает система КОМТЕЛ, передающая 30 (или 10) теле-
визионных каналов.
ЗАО НПП «РОТЕК» выпускает систему для передачи одного, телевизи-
онного канала и 2-4-звуковых стереоканалов со студийным качеством на
расстояние до 60 км для связи с разными телецентрами.
147
11. ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА И ИЗМЕРЕНИЙ В ВОЛС
11.1. ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА ВОЛС
11.1.1. Особенности и организация строительства ВОЛС
регламентируется руководством МСЭ-Т (LTU-T). ВОЛС имеют более низкие
предельные механические нагрузки, чем ЛП СВЧ, особенно при изгибах и
растяжениях, поэтому предъявляются повышенные требования при их
проектировании и монтаже.
К подготовительным работам относится утвержденный технический
проект, в котором предусмотрены:
проектная документация;
проект производства работ;
взаимодействие с заказчиками;
входной 100% контроль ОК (проверка а каждого ВС, на
регенерационном участке допускается ОК только одного типа);
материально-техническое снабжение;
подготовка персонала;
изучение трассы, потребность в оборудовании, связи и т.д.
11.1.2. В зависимости от трассы существует несколько способов
прокладки ОК:
1. В населённых пунктах прокладка производится в трубах кабельной
канализации со смазкой или со специальными пластиковыми шариками, иногда
с пневмоподдувом. Для этого выпускаются специальные защитные
пластмассовые трубы (ЗПТ). Предварительно в трубу протягивается стальная
проволока 03мм. Усилие, прикладываемое к кабелю, непрерывно
контролируется.
2. Магистральные ОК закладываются в грунт кабелеукладчиком, сверху
укладывается маркерная лента или электронные маркеры в виде
колебательного контура, которые обнаруживаются локатором маркеров. ОК
могут также укладываться по дну водоёмов.
3. Подвеска ОК на опорах линии электропередачи (как самонесущих ОК,
так и на тросах).
Выпускаются также ОК, встроенные в грозозащитный трос ЛЭП.
Обычная строительная длина ОК /Сф=(4-6) км.
Для стыков оставляется 8-10 м с каждого конца для стыковки в
специальной автомашине. Для стыковки ВС применяются специальные
сварочные аппараты с автоматической состыковкой и контролем в процессе
сварки. Существует две системы контроля:
148
1. Система LID (рис. 11.1,а) (локальный ввод измерения и его обнаружение)
использует нарушение условия полного внутреннего отражения в ВС при
изгибе
Рис. 11.1. Системы контроля стыковки ВС LID (а) и PAS (б)
его с R >Якр. Для этого ВС локально изгибается прутком с радиусом R. В ВС1
вводится излучение, а выходящее излучение из ВС2 регистрируется ФПрУ.
Специальное юстиро-вочное устройство контролирует и поддерживает такое
положение концов ВС при сварке, чтобы сигнал в ФПрУ был максимален в
процессе стыковки, так как возможно смещение концов.
2. Система PAS (рис. 11.1,6) (система юстировки по профилю ВС)
использует поперечный просвет ВС с регистрацией картины видеокамерой в
месте стыка. Микропроцессор и юстировочный узел создают такой стык, чтобы
был минимум потерь с учетом неточности симметрии ВС и сил поверхностного
натяжения в процессе сварки.
Существует набор программ для разных типов ВС и память на несколько
сотен сварок. На стык ВС надевается термоусадочная гильза. Стык ОК
заделывается в герметичную муфту, которые бывают тупиковые (вывод двух
ОК с одной стороны) и торцевые (выводы ОК с двух сторон).
Для необслуживаемых линейных регенераторов и усилителей
предназначены контейнеры, которые представляют собой металлическую
цистерну с надстройкой, закапываемую в землю.
Для временной стыковки при измерениях и авариях используются
механические соединители на основе V-образных канавок со специальным
иммерсионным гелем.
Для концевой заделки и подключения к аппаратуре используются
оптические шнуры с оптическими разъёмами. Цвет оболочки жёлтый хтя
ОМВС и красный, оранжевый, серый - для ММВС. Оптические разъёмы
выдерживают 500-1000 стыковок. Плоские торцы ВС только у ММВС. а у
одномодовых - сферические с коэффициентом отражения -(40-50) дБ. Заделка
концов ВС в разъем (с эпоксидной смолой) требует специального
оборудования с печкой и последующей полировкой торцов.
149
11.2. ИЗМЕРЕНИЯ В ВОЛС
Комплекс средств измерений в ВОЛС относится к средствам измерений в
электросвязи. В сети могут использоваться только приборы, имеющие
сертификат соответствия Минсвязи России. К этим средствам относятся:
оптические измерители затухания (тестеры, мультиметры), содержащие
источник излучения и измеритель мощности;
оптические рефлектометры;
оптические генераторы, измерители мощности, аттеньюаторы,
измерители дисперсии ( в том числе поляризационной) и др.
Самые распространённые из них - рефлектометры, которые позволяют
измерять расстояние до неоднородности, затухание, потери на стыках
Поставляются в виде базовой платформы с вставными модулями для разны,\
режимов. Используется метод обратного брилюэновского рассеяния, возможен
анализ спектра систем WDM и DWDM. Разрешающая способность при
определении места дефекта определяется длительностью импульса г и при г
~Унс составляет Д /=0.01 м, регистрируемая разность интенсивностей А/ 0,001
дБ.
Длина волны 2= 0,635; 0,85; 1,3; 1,625 мкм. мертвая зона 1 - 8 w, максимальное
расстояние /= (80-360) аси. Рефлектометр включает в себя также переговорное
устройство, запоминающее устройство, дисплей и принтер или выход на
принтер.
но
Рис. 11.2. Структурная схема рефлектометра
Основой рефлектометра (рис 11.2) является направленный озве1ви!ель
(НО), который выделяет падающую и отраженную энергию импульса в
большом динамическом диапазоне. Рефлектометр регистрирует релеевское или
брилюэновское рассеяние и все неоднородности в ВОЛС На рис 11 3
представлен пример изображения на индикаторе (мониторе), где можно
идентифицировать различные виды дефектов.
Стационарные рефлектометры на автомашине производства США сюя!
15000 S. Различными фирмами Германии, Японии. Каналы. США выпускаются
также переносные оптические рефлектометры с несколько хузшими
150
Рис. 11.3. Изображение на экране монитора рефлектометра
параметрами. Российским предпри-ятием ОПТИТЕЛЕСОМ совместно с
Минским ИИТ разработан карманный рефлектометр ВЛ-3 «Обрыв».
Мультиметр содержит источник, измеритель мощности, оптический
телефон, визуальный детектор повреждений.
При производстве ВС и ОК используются также анализаторы геометрии
ВС, ППП, механических напряжений, л0,„с. dnu, NA. хроматической и
поляризационной дисперсии и т.д.
12. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ВОЛОКОННЫЕ
СВЕТОВОДЫ. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ.
12.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ПАРАМЕТРЫ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
12.1.1. В процессе эксплуатации ВОЛС на работу ВС могут влиять
различные внешние факторы как неэлектрические (давление, температура,
радиация, влажность и др.), так и электромагнитные поля. Их влияние
рассматривалось ранее в р.7 и может проявляться в виде различных физических
эффектов, как используемых в оптических модуляторах, так и другие и вносить
в передаваемый сигнал дополнительную паразитную модуляцию. Конструкции
оптических кабелей должны обеспечить минимизацию этих влияний (р.2).
Однако имеется область техники, в которой такое влияние является полезным *-
это волоконно-оптические датчики (ВОД) [4].
Под волоконно-оптическим датчиком понимается измерительный
преобразователь, содержащий отрезок волоконного световода (ВС),
оптические свойства которого зависят от внешнего воздействия, а также
отрезки ВС . подводящие и отводящие оптическое излучение от места
151
взаимодействия его с внешним полем, соединенные с источником излучения и
фотоприемником.
ВОД применяются для повышения уровня помехозащищенности
измерительных информационных систем. При этом электронная часть датчика
может быть выполнена в небольшом ограниченном объёме за пределами
области измерений. ВОД могут использоваться как для измерения
неэлектрических величин (давления, уровня жидкости, перемещения,
температуры и т.д.), так и электрических (ток, напряжение) для работы в
условиях взрывоопасности, высокой радиации, высоких и низких температур,
агрессивных сред, электромагнитных полей и т.д.
Начало работ в области ВОД относятся к 70-м годам. Сейчас эта область
интенсивно развивается, т.е. ВОД - это всё более значимые изделия электро-
ники и радиофизики.
Схема ВОД в общем случае имеет вид, показанный на рис. 12.1. При этом
используются различным физические эффекты, как используемые в оптических
модуляторах, так и другие и все виды модуляции.
F, f, Ра, А/, и, i,
К со, ау
I Оптический
__>1 параметр среды >
Параметр
! оптической волны.
x,(n,aj)
Фото-
--------►
приёмник ;
Выходная
величина
?вых(1)ФП
Рис. 12.1. Обобщенная структурная схема ВОД
Например; используются как широко известные физические эффекты
(электролюминесценция, магнитострикция, пьезоэлектрический), так и менее
известные, например, эффект Санъяка.
Эффект Саньяка проявляется в том, что во вращающейся замкнутой петле
или катушке ВС две волны, распространяющиеся в двух противоположных
152
направлениях, пройдут одинаковое расстояние за разные промежутки времени
и Aii) или получат разный набег фаз (Aq>i и Л^). При одинаковой частоте
двух волн регистрируется их разность фаз, а при разной-частота биений.
Эффект Саньяка используется в датчиках угловой скорости.
Внешним воздействием F^ (рис.9.1) могут быть сила-F, температура -/•
давление Ль изменение размеров или перемещения-J/, напряжение-^, сила
тока-/, линейная-И или угловая-ш скорости, ускорение -ау и др. Измеряемыми
величинами могут быть изменение длины или перемещение -21/, давление - и
др. При помощи какого-либо физического эффекта измеряемая величина
преобразуется в оптический параметр среды xt: коэффициент преломления-^,
коэффициент поглощения-a или протяженность-/. Параметр среды изменяет
параметры волны у,: коэффициент модуляции-Л/«о* набег фазы-^ или
поляризацию- Ё. Фотоприемник регистрирует ток фотоприемника-/^,
напряжение ифп или мощность-?,^.
12.1.2. Возможна классификация ВОД по различным признакам: по
характеру измеряемого параметра (давления, температуры), по типу
модуляции (AM, ЧМ, ФМ, ПМ), по используемому физическому эффекту и т.д.
В дальнейшем используется классификация по типу модуляции,
12.1.3. Основными параметрами ВОД являются:
1. Диапазон входных воздействий FnMaK~FnMtul (рис. 12.2);
2. Основная погрешность 8= l(Up-U^/UmmlAW/^ где (/^(/„-реальное и
идеальное значения выходного сигнала;
3. Нелинейность характеристики 4«=/(Ц>-С/м)/ии/тах100%;
Рис. 12.2. Характеристики ВОД
153
5. Минимальное детектируемое воздействие ()ст ~ определяется поро-
говой чувствительностью ФпрУ.
6. Частотный диапазон воздействияили постоянная времени г.
7. Динамический диапазон датчика D=20/g//F<a иаи~?ъ> [дБ].
8. Собственные потери оптического излучения Bo=lOlg(Pr/Phblxl} [дБ],
где /^мощность источника излучения; Рных „-выходная мощность при FM=0.
В некоторых случаях более важными являются эксплутационные
характеристики: влажность, устойчивость к вибрациям, долговечность, масса ,
габариты, потребляемая мощность, стоимость и т.д.
12.2. ВОД АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ
12.2.1. Амплитудная модуляция (AM) наиболее удобна для дальнейшей
обработки сигнала. Большинство схем не требует использования когерентного
и монохроматического источника излучения, но для некоторых необходимо
поляризованное излучение. Таким образом, ни к источнику, ни к фогопри-
емнику не предъявляются особых требований.
AM может осуществляться за счет следующих факторов:
1. Непосредственно ослаблением света за счет изменения коэффициента
поглощения-a (эффект Франца-Келдыша).
2. Изменение отражательной или поглощательной способности при
вариации коэффициента преломления-и, например, за счет нарушения
условия полного внутреннего отражения.
3. Управляемая связь волноводов при изменении п.
4. Получение дополнительного излучения при воздействии измеряемого
физического фактора
Рассмотрим примеры конструкций ВОД, использующих эти факторы
12.2.2. Датчик с 11П поглощающей пластиной (рис. 12 З.а)
представляет собой объем ПП-1 с подводящим-2 и отводяшим-3 световодами,
помещенный в корпус-4 В датчике используется эффект Франца-Келдыша,
который проявляется при воздействии электрического поля Е, температуры и
радиации. Например, при использовании GaAs и Л=880 нм такой ВОД
обеспечивает измерение температуры от -10 до +300°С с точностью ±1°С и
постоянной времени т=2 с. Его характеристика представлена на рис 12 3,6
Достоинствами его являются малые габариты и простота конструкции, а
недостатками-ограниченность количества измеряемых параметров и
невозможность их идентификации при совместном воздействии.
12.2.3. Отражательный датчик перемещения (давления, температуры.
вибрации) (рис. 12.4,6/) представляет собой замкнутую герметичную камеру-1 с
154
а б
Рис 12.3. ВОД с полупроводниковой пластиной
тонкой зеркальной мембраной-2, подводящим и выводящим ВС-3. Из-за хода
лучей в ВС на мембране будет световое пятно, вид которого зависит от
расстоянии d0 (рис. 12.4,6).
Рис. 12.4. Отраженный датчик перемещения
а
При d <d(, пятно имеет вид круга, а при d >dQ- вид кольца. Амплитуда в
выводящем ВС будет пропорциональна площади пересечения пятен двух ВС
(рис. 12.4,6). что и определяет вид характеристики ВОД. Для увеличения
динамического диапазона и уменьшения потерь вокруг одного подводящего ВС
может быть установлено несколько выводящих, или два ВС устанавливаются
под углом. Датчики такого типа могут испольюваться В качестве
чувствшельного и не подверженного электромагнитным наводкам микрофона.
12.2.4. Датчики на основе нарушения условия по того внутреннего
отражения могу г быть разного вида На рис 12.5,а представлен вариант
155
датчика давления на основе кварцевого волокна с полимерной оболочкой. При
сдавливании волокна в определенной точке давлением Р полимерная оболочка
уплотняется, коэффициент преломления п2 увеличивается, что и приводит к
выводу луча из волокна и, следовательно, к уменьшению сигнала на выходе. На
рис. 12.5,6 изображена характеристика ВОД. Область применения его - это
измерение давления, усилия, перемещения. Достоинством является высокая
чувствительность, а недостатком-необходимость механического перемещения.
Такие ВОД используются в качестве гидрофонов.
Рис. 12.5. ВОД на основе нарушения условия полного внутреннего отражения
На рис. 12.5,в,г показаны варианты ВОД уровня или типа жидкости. В
варианте 12.5,в ВС изогнут радиусом R^R^ который в воздухе обеспечивает
условие полного отражения. Однако при помещении его в жидкость с более
высоким п происходит излучение и на выходе сигнал уменьшается.
На рис. 12.5,г показан вариант с датчиком в виде призмы. В этом случае при
погружении в жидкость нарушается условия отражения на двух гранях призмы.
12.2.5. Светогенерационные датчики используют излучение
индуцированное в образующем его материале при тепловом. оптическом и
радиационном воздействиях. Для них не требуется источник излучения.
156
В температурных датчиках непосредственно используется излучение,
которое возникает в нагретой области ВС Даже очень чистые стекла имеют
адсорбционные потери в средней ИК-области и, следовательно, излучают при
нагревании в пределах t-(100+1 000) V.
Излучение тепловой мощности определяется выражением
(12.1)
где 8ч-степень черноты излучаемой поверхности площадью S, которая для
различных сред изменяется в пределах (0,04-0,96)', С(г=5,7Вт/(м2К*)-
коэффициент испускания абсолютного черного тела; ^/-температура
излучаемой поверхности в Кельвинах; Л-температура окружающей среды.
Следует напомнить, что длина волны Ам, соответствующая максимальной
спектральной плотности излучения, выражается через температуру законом
смещения Вина
ЪгСДТ,, (12.2)
где С6=2 896 10~3 м-К-постоятпя Вина.
Для специального ВС с а^ЮОО дБ/км можно определить температуру от
80°С, а для обычного ВС -от 135 °C. При этом используется германиевый
фотодиод и регистрируется излучение в диапазоне А^(1^~1,8) мкм. Нижнюю
границу температур можно сдвинуть до 100/С используя специальные
флюоридные и халькогенидные стекла, прозрачные в области А=(3^~ 25) мкм,
кристаллы КРС5, AgCl, CsI и др.
Другой гип датчиков использует флюоресцентные добавки в материал ВС
(ионов Nb1 ). При этом применяется косвенный метод измерения температуры
по постоянной флюоресценции Тф(О на длине волны флюоресценции Аф,=1,06
мкм. После снятия оптического возбуждения мощность излучения
флюоресценции Рф1 уменьшается по закону
РФ^Кехр[-1/тф], (12.3)
где /С-некоторая константа. Используя аппроксимацию реального импульса
формулой (9 3), можно определить Тф(, а затем температуру Т(тфл) по двум
измерениям в пределах (293-500)/С
12.3. ВОД ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ
12.3.1. ВОД фазовой модуляции (ФМ) являются наиболее
чувствительными В общем случае изменение фазы (р= -pL. обусловленное
внешним воздействием на ВС, складывается из изменения коэффициента фазы
АР и изменения его длины AL
A(p-PAL+LAP. (12.4)
157
В свою очередь ДР зависит от и диаметра сердцевины 2а. т.е.
Др^Дп^^Да-Рр/да. (12.5)
Иногда, кроме этого, под действием механического напряжения происходит
изменение коэффициента преломления, но основной вклад определяет 4L.
ВОД ФМ строятся по одной из следующих схем: 1-на основе гомодинного
или гетеродинного интерферометра Маха-Цандлера (см.п.р.7.3); 2-на основе
межмодового интерферометра; 3-на основе одноволоконного интерферометра
Саньяка с двунаправленной оптической связью. Известно использование и
других схем интерферометра.
Наиболее часто используются интерферометр Маха-Цандлера, в котором
фотодетектор регистрирует мощность сигнала
P^fl+cosPtp), (12.6)
где Л <р - разность фаз в двух плечах интерферометра.
Функция Рвых(Дф) практически линейна вблизи Д(р=± л/2. Это одно из
основных условий работы гомодинных ВОД. От этого ограничения свободны
гетеродинные ВОД (см.п.р.7.2). Рассмотрим несколько примеров.
12.3.2. Гомодинный ВОД-акселерометр (ВОД ускорений и вибраций)
имеет два канала ВС, один из которых является эталонным - 1, а другой - 2
закреплён в двух точках на станине - 3 и имеет закреплённый грузик - 4 массой
т (рис. 12.6,а). На входе и выходе используются два разветвителя - 5. Под
действием ускорения ay=F/m груз растягивает ВС-2,что и вызывает Д<р 0.
Максимальная рабочая частота определяется низшей частотой механического
резонанса, причем, чем ниже частота механического резонанса, тем выше
чувствительность.
Для компенсации температурных воздействий грузик закрепляется на
обоих каналах 1 и 2, находящихся при одинаковой температуре. В этом случае
воздействие ускорения вызывает растяжение одного канала и сжатие другого,
что приводит к увеличению чувствительности (рис. 12.6,6). При массе грузика
т^0,4 г, L-lt6 см регистрируется ускорение а^О^-КГ6 g в диапазоне частот
вибраций F=(30+200) Гц.
Для увеличения чувствительности ВС в измерительном плече
интерферометра ВС наматывается на упругий резиновый цилиндр-6 (рис. 9.6,в),
а груз - 4 приклеен к резиновому цилиндру. Под действием ускорения груз
сжимает цилиндр, диаметр которого при этом увеличивается и растягивает ВС.
При т-660 г ВОД регистрирует ау=1(Г9 g в диапазоне частот F=(0,01+10) кГц.
12.3.3. Если ВС намотан на магнитострикционный материал, например,
никель, или если нанести плёнку никеля на ВС, то получим датчик магнитного
поля. Возможно также использование датчика температуры (за счёт изменения
ДГ) или электрического поля (изменение Дп за счёт электрооптического
эффекта).
158
Рис. 12.6. ВОД фазовой модуляции
На таком же принципе создаются гидрофоны (ВОД давления), в которых
измерительное плечо интерферометра представляет собой ВС длиной несколько
метров. Под действием давления изменяется Дп и анизотропные свойства ВС.
Такой гидрофон регистрирует акустические частоты F=(0,1+100) кГц.
Чувствительность таких гидрофонов намного выше пьезоэлектрических.
ВОД интерферометрического аила не обязательно должен иметь 2 плеча.
Возможно применение одного ВС, например, в двухмодовом режиме. В этом
случае используется межмодовая интерференция. Внешнее воздействие по-
разному влияет на разные моды. Достоинствами таких ВОД являются их
простота н то, что обе моды находятся в одной среде при одной температуре и
давлении. Недостатком является необходимость устранения паразитной
чувствительности к неизмеряемому воздействию.
12.4. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ВОД
Поляризация в ВС может изменяться, как от воздействия электрического
или магнитного полей (т.е. эффектов Керра, Фарадея, Поккельса и т.д.
см.п.р.7.2), так и от давления и от других факторов, однако поляризационные
ВОД применяются реже из-за необходимости применения термостабильных
материалов, малого динамического диапазона и меньшей чувствительности.
Примером является поляризационный датчик магнитного поля
(электрического тока), работающий на эффекте Фарадея (рис. 12.7).
159
Рис. 12.7. Поляризованный ВОД магнитного поля
Эффект Фарадея возникает в ферромагнетиках (р»1), диамагнетиках
(р<1), и парамагнетиках (р>1). но только у диамагнетиков он не зависит от
температуры. Например у стёкол, используемых в ВС //=0,999987. Датчик
представляет собой ВС - 1, намотанный на токопровод - 2. При этом вектор Н
совпадает с осью ВС. Излучение ПП лазера - 3 поступает в ВС через
поляризатор - 4, а после ВОД попадает на анализатор - 5, выделяющий две
ортогональные составляющие поляризации. С анализатора два луча принима-
ются двумя ФП - 6, сигналы с которых поступают на сравнивающее устройство
-7.
В качестве анализатора может использоваться призма Волластона, которая
выделяет ортогональные составляющие под углом а^±45° к входной
поляризации. Вследствие поворота плоскости поляризации на угол (ф. (4.5.))
на входе сравнивающего устройства будут сигналы
Pl-Pt{xa(^sin2g>M)/2 ;
Р2=Р«х.а(1-зт 2(рЛ)/2 ,
где /^-мощность на входе анализатора. Дифференциальная схема
сравнивающего устройства выделяет сигнал
и«ых=к<>(Р1 ~ P^(Pi ^P2)^k()sin2(p,u,
где k() - константа, не зависящая от мощности падающего на анализатор
излучения.
Например, созданный на этой основе ВОД представляет собой катушку ВС
диаметром 15 мм из 40 витков. ВОД позволяет измерять ток до 14 кА с
нелинейностью < 1% на частотах до 5 МГц. При этом максимальный угол
поворота плоскости поляризации <10°
Увеличения области линейности можно добиться схемными методами.
160
Существуют также ВОД с управляемой связью в коаксиальных оптических
волноводах с W-ППП и др. типы ВОД [4].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Наряду с постоянным совершенствованием технологии и улучшением
параметров волоконных световодов и оптоэлектронных компонентов ВОЛС
наблюдается бурный этап развития, совершенствования и проникновения
ВОЛС и оптоэлектроники во многие области науки и техники, и во все области
деятельности человека. Оптоэлектроника развивается в тесном взаимодействии
с традиционной микроэлектроникой. Кроме традиционного применения ВОЛС
в связи, они внедряются в приборостроение, медицину, бытовую технику и т.д.
Большие перспективы и широкие возможности открываются с применением
оптических методов обработки информации. Новые способы возбуждения,
обработки сигналов и управления фазированными антенными решетками
(ФАР), основанные на взаимопроникновении традиционной СВЧ-техники и
оптоэлектроники, привели к созданию нового класса антенн - радиооптических
антенных решеток или ФАР с оптическим управлением.
Рассмотренные в книге ВОСП и их компонентная основа имеют
достаточную пропускную способности, однако их потенциальные возможности
ограничены оптическими сетями доступа. Поэтому основной задачей следует
считать разработку недорогих оптико-электронных, квантово-электронных и
волоконно-оптических элементов для новых сетей доступа, включая
абонентские участки. В передовых странах (Японии, США, Германии) с
каждым годом растет число домов и квартир, к которым подведен оптический
кабель с доступом к широкополосной сети Интернет. Очевидно, что в России
для развития аналогичных сетей доступа необходима государственная
поддержка.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
I. Гауэр Д.Ж. Оптические системы связи/ Пер. с анг. - М.: Радио и связь.
1989. -504с.
2. Ханспеджер Р. Интегральная оптика: теория и технология/ Пер. с англ. -М.,
Мир, 1985. -384с.
3. Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи.Учебное пособие для
вузов связи. - М.1990. - 223 с.
4. Бугсурин В.И.., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: физические
основы, вопросы расчета и применения. - М: Энергопромиздат. 1990. -
256с.
161
5. Волоконно-оптические системы передачи и кабели. Справочник/ Под ред.
Гроднева И.И. -М., 1993. -264 с.
6. Оптические системы передачи: Учебник для вузов / Под ред. Иванова В.И.
- М.: Радио и связь. 1994. -224с.
7. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей
связи. - М., 2000. - 468 с.
8. Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы/ Под
ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.И. - М.,: Connet, 2000. - 376с.
9. Носов Ю.Р. 30-летие волоконно-оптической связи. К истории зарождения и
развития. - Электросвязь, 2001. - №1. - С.40-43.
10. Скляров О.К. Современные волоконно-оптические системы передачи
информации. Аппаратура и элементы. - М., 2001.-238 с.
11. Шмалько А.В. Цифровые системы связи. - М., 2001.-283 с.
12. Убайдуллаев В.Р. Волоконно-оптические сети. - М., 2001. - 268 с.
13. Портнов Э.Л. Оптические кабели связи. Конструкции и характеристики. -
М.,2002. -232 с.
14. Иоргачев Д.В., Бондаренко О.В. Волоконно-оптические кабели и линии
связи. - М., 2002. - 282 с.
15. Воронцов А.С. и др. Оптические кабели связи российского производства.
Справочник. - М., 2003. - 288 с.
16. Листвин А.В. и др. Оптические волокна для линий связи. - М., 2003.
17. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи/ Пер. с англ. - М., 2003. -
447 с.
18. Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи. - М., 2004. -
272 с.
19. Смирнов А.Г. Квантовая электроника и оптоэлектроника. Учебное пособие
для вузов. - Мн.: Высш. шк. 1987. - 196с.
20. Ксенофонтов С.И., Портнов Э.Л. Направляющие системы электросвязи:
Сборник задач. -М.: Горячая линия-Телеком, 2004. -268с.
21. Шарварко В.Г. Савельев В.В. Техническая электродинамика: Конспект
лекций.Ч-1. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1996. 126с.
22. Савельев В.В., Шарварко В.Г. Техническая электродинамика: Конспект
лекций.Ч-2. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. 103с.
23. Шарварко В.Г. Основы оптоэлектроники: Учебное пособие. мет.№ 1829 -
Таганрог: изд-во ТРТУ, 2000. - 95.
24. Шарварко В.Г. Интегральная и волоконная оптика: Учебно-методическое
пособие. мет..№ 3016 - Таганрог: Изд-воТРТУ, 2001 .-118с.
162
ПРИЛОЖЕНИЕ I
ПОРЯДОК ЭСКИЗНОГО РАСЧЕТА ВОЛС (К КУРСОВОЙ РАБОТЕ)
Для расчета задаются следующие параметры:
I. Параметры и тип волокна:
тип волокна (ступенчатое многомодовое или одномодовое, градиентное);
диаметры и коэффициенты преломления сердцевины -2а, и оболочки
-26, п2;
тангенс потерь сердцевины tg8 или коэффициент поглощения а;
коэффициент материальной дисперсии YM .
2. Параметры источника излучения:
длина волны 2;
ширина спектральной линии ДЯ ;
мощность излучения ;
скорость передачи информации - В;
числовая апертура NA^, или расходимость 2^05и27, или площадь
апертуры .
3. Параметры фотоприемника:
спектральная или интегральная пороговая чувствительность Рпр 1W/Z;
числовая апертура NAurt, или расходимость 2(pQ 5пр, или площадь
апертуры S„p.
4. Длина ВОЛС - /.
Требуется рассчитать все параметры ВОЛС: полный коэффициент
поглощения -а, полную дисперсию -ДГ//, максимальную длину участка
регенерации -/ и число этих участков -Np^ и выполнить специальные
требования. В расчетах используются формулы из подразделов 2.1-2.7.
ПРИМЕРНЫЙ ПОРЯДОК РАСЧЕТА ВОЛС
1. Расчет дисперсионных параметров: NA: АТ // (с учетом I, если
А < X : длина участка регенерации, ограничиваемая дисперсией - /д/,
163
М , Q, или проверить условие одномодовости.
2. Расчет параметров ввода-вывода [19]:
Связь между параметрами
=sin<p^m', 5„.,=яа2«,; 2ат = A/2p0Jlw;
NA„p=sin<p05np; Snf,=m1„P- 2апр=Л/2<р05пр.
Эффективные апертуры излучателя - и фотоприемника
S
np
с = <
° -3<f)(u3.t,np)
определяются по формулам:
^(из/лр}
0,5
^cept) ’
5(ыилр) > Scept).
КПД ввода Г)т и вывода Т](пм рассчитывается по формулам:
NA
’’“Чл'д.и
при NAurt < NA;
при NAm > NA\
при NAnp > NA;
при NA„p < NA.
Если при расчетах Г} > 1 (выход из области применимости формул), то
принимается 1] = 1.
3. Расчет коэффициента поглощения согласно формулам (2.4-2.5) с
учетом Тип материала сердцевины задается самостоятельно.
4. Расчет энергетического потенциала ВОЛС:
Ръ
1 пр инн
если задана спектральная пороговая чувствительность Р м [мВт/Мбит!е].
то получим Аи1[Мбит/с] и нужно перейти к интегральному энергетическому
потенциалу АШ1П} = Аи1 / В. считая что \МГц*\Мбит/с. а затем перейти к
децибелам = 10lg<„.
5. Расчет длины участка регенерации - I и их количества - Л /х,,.
164
Сначала рассчитывается длина участка регенерации, ограниченная
поглощением
а а[дБ/ы]
Затем сравнить la\i 1^, и выбрать наименьшее - это и будет
максимальная длина участка регенерации -1рсг- Количество участков
регенерации N = lilp„.
6. Выполнить специальные требования, например, обосновать
достоинства и недостатки заданной структуры ВОЛС или описать одно из
активных или пассивных устройств для ВОЛС.
7. Выводы по работе. Проанализировать результаты расчета и дать
рекомендации по уменьшению количества участков регенерации.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ВОПРОСЫ К КОНТРОЛЬНЫМ РАБОТАМ И ЭКЗАМЕНУ
I. Временная и пространственная когерентность оптического излучения.
2. Типы волоконных световодов (ВС) и их профиль показателя
преломления. Достоинства ВОЛС.
3. Принцип работы и числовая апертура ВС.
4. Коэффициент ослабления ВС и факторы, обуславливающие ослабление
сигнала.
5. Типы волн (моды) в ВС и условия их распространения. Линейно-
поляризованные моды.
6. Межмодовая дисперсия в ВС.
7. Материальная дисперсия в ВС.
8. Полная дисперсия и информационная ёмкость ВС.
9. Особенности работы и расчетов ВС (равновесие мод, диаметр поля
моды).
10. Обобщенные графики решения дисперсионного уравнения ВС. Доля
мощности, ответвляемая в оболочку.
11. Потери на изгибах ВС.
12. Среднеквадратическая длительность импульсов.
13. Передаточная характеристика волокна.
14. Особенности расчета и применения многомодовых (ММ) ВС. Длина
установившейся связи. Классификация ММ ВС.
165
15. Разновидности и применение одномодовых (ОМ) ВС (диапазоны волн,
окна прозрачности, условия одномодовости, W-профиль показателя
преломления).
16. Особенности одномодовых ВС. Компенсация внутримодовой и
материальной дисперсий, хроматическая дисперсия. ОМ ВС со
смещенной дисперсией.
17. Параметры ОМ ВС: параметр хроматической дисперсии, коэффициент
наклона дисперсионной характеристики. Графики для разных типов
ОМВС.
18. Поляризационная дисперсия ОМ ВС. ВС с сохранением поляризации.
19. Классификация ОМ ВС по типу дисперсии.
20. Специальные типы ВС. Технология и материалы ВС.
21. Геометрические и механические характеристики ВС. Оптические
кабели (ОК): элементы и разновидности конструкций.
22. Разновидности и поколения ВОЛС.
23. Параметры планарных и полосковых оптических волноводов (ОВ).
24. Потери в планарных ОВ.
25. Направленный ответвитель на связанных оптических волноводах.
26. Устройства связи оптических волноводов (решетчатые и
суживающиеся).
27. Пассивные элементы интегрально-оптических схем (разветвители,
преобразователи мод, кольцевой фильтр).
28. Линзы и оптические методы обработки информации.
29. Оптические волоконные разветвители (ответвители) и аттеньюаторы.
30. Классификация оптических мультиплексоров/демультиплексоров
(МП/ДМП).
31. МП/ДМР первого типа (для малого числа каналов).
32. МП/ДМП второго типа (эшелон Майкельсона).
33. Взаимодействие оптического излучения с веществом. Ширина и форма
спектральных линий.
34. Усиление оптического излучения.
35. Генерация оптического излучения.
36. Оптические резонаторы.
37. Режимы работы лазеров.
38 Классификация и основные параметры источников оптического
излучения.
39. Источники оптического излучения на основе однородных
полупроводников.
40. Инжекционные светодиоды (СД) на основе гомопереходов.
41. Светодиоды (СД) на основе гетеропереходов.
42. Инжекционные лазерные диоды (ЛД).
43. Классификация лазерных диодов.
166
44. Полупроводниковые лазеры и передающие оптические модули.
45. Волоконные оптические усилители.
46. Рамановские и полупроводниковые оптические усилители.
47. Эффект нелинейного преломления в ВОЛС.
48. Фазовая самомодуляция (ФСМ) и кросс-модуляция в ВОЛС.
49. Эффект вынужденного неупругого рассеяния в ВОЛС.
50. Четырёхволновое смешение и модуляционная неустойчивость в ВОЛС.
51. Оптические солитоны в ВОЛС.
52. Оптические волновые конвекторы.
53. Индикатриса преломления вещества.
54. Физические эффекты в кристаллах (электрооптический,
акустооптический).
55. Физические эффекты в кристаллах (магнитооптические,
электроадсорбционный).
56. Объемные амплитудные электрооптические модуляторы.
57. Одноволноводный электрооптический модулятор.
58. Двухканальный и типа Маха-Цандлера электрооптические модуляторы.
59. Оптические изоляторы и циркуляторы.
60. Управление пространственными параметрами оптического излучения:
коллиматоры и дефлекторы.
61. Оптические коммутаторы и кросс-коммутаторы: разновидности и
параметры.
62. Электрооптические и термооптические коммутаторы.
63. Принцип работы фотоприёмников.
64. Параметры фотоприёмников. Пороговая чувствительность.
65. Фотодиоды с обычным р-п переходом.
66. Параметры фотодиодов с обычным р-п переходом и схемы их
включения.
67. рч-л-фотодиоды. Конструкции, достоинства и недостатки.
68. Лавинные фотодиоды. Гетерофотодиоды конструкции, достоинства и
недостатки.
69. Принципы построения волоконно-оптических систем передачи
(ВОСП).
70. Плезиохронная цифровая иерархия ВОСП.
71. Форматы линейных кодов ВОСП.
72. Синхронная цифровая иерархия ВОСП.
73. Частотное уплотнение в ВОСП.
74. Методы монтажа и контроля параметров ВОЛС.
75. Классификация и параметры волоконно-оптических датчиков (ВОД).
76. ВОД амплитудной модуляции.
77. ВОД фазовой модуляции.
78. Поляризационные ВОД.
167
СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ........................................3
ПРЕДИСЛОВИЕ..............................................7
1. ВВЕДЕНИЕ...........................................8
I 1 ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 8
1 2 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ ВОЛНОВОЙ.КВАНТОВОЙ И
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИК 10
13 ПОЛЯРИЗАЦИЯ МОНОХРОМАТИЧНОСТИ КОГЕРЕНТНОСТЬ
ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 13
2. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ..................15
2 I ТИПЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ И ИХ ПАРАМЕТ РЫ 15
2 2 МОДЫ В ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ (ВС) 19
2 3 МЕЖМОДОВАЯ ДИСПЕРСИЯ 21
2 4 МА IЕРИАЛЬНАЯ ДИСПЕРСИЯ И ИНФОРМАЦИОННАЯ ЕМКОС ГЬ 22
2 5 И11ФОРМ АЦИОННЫЕ ПАРАМЕI РЫ ВОЛС 24
2 6 ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ И РЕЖИМЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕ ГОВОДОВ 28
2 7 ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТОВ И ПРИМЕНЕНИЯ MHOIОМОДОВЫХ
ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ 31
2 8 РАЗНОВИДНОСТИ И ПРИМЕНЕНИЕ ОДНОМОДОВЫХ СВЕ 1 ОВОДОВ
(ОМВС) 33
2 9 СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ВС 43
2 10 ТЕХНОЛОГ ИЯ И МАТЕРИАЛЫ ВС 14
2 11 ГЕОМЕ ГРИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ XАРАК IЕРИСIИКИ ВС 45
2 12 ОПIИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ 47
2 13 РАЗНОВИДНОСТИ И ПОКОЛЕНИЯ ВОЛС 49
3. ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ..............................51
3 1 ПАРАМЕТРЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ 51
3 2 ПОТЕРИ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ 54
3 3 СВЯЗАННЫЕ ВОЛНЫ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ V»
3 4 ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИН1Е1 РАЛЬНО-ОПIИЧЕСКИХ С X! М 62
4. ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВОЛС...............................65
4 1 О1ПИЧ1СКИГ РАЗВГ I ВИ ГЕЛИ (О1ВЕТВИТЕЛИ) 6*>
42 ОПТИЧЕСКИЕ А1 1ЕНЮАЮРЫ 6>
4 3 О1П ИЧI СКИТ М\ ЛЬ I И11ЛЕКСОРЫ/ДЕМУЛЬ 11II1JIFKC ОРЫ И ФИЛЬ I РЫ 66
168
5. УСИЛЕНИЕ И ГЕНЕРАЦИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ........70
5 1 ВЗАИМОДГЙС1ВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ 70
5 2 ШИРИНА И ФОРМА СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ 71
5 3 УСИЛЕНИЕ ОП1ИЧГ СКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 72
5 4 Г ЕНЕРАЦИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 74
з 5 ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ 75
5 6 РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ 79
5 7 КЛАССИФИКАЦИЯ И ОС НОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛАЗЕРОВ 81
5 8 ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ОДНОРОДНЫХ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ 82
5 9 ИНЖЕКЦИОННЫЕ СВЕТОДИОДЫ НА ОСНОВЕ Г ОМОПЕРЕХОДА 85
5 10 ИНФЕКЦИОННЫЕ СД НА ОС НОВЕ ГЕТЕРОПЕРЕХОДОВ 87
5 11 ИНЖЕКЦИОННЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ДИОДЫ 90
5 12 КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ 93
5 13 ПО ТУ ПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ И ПЕРЕДАЮЩИЕ ОПТИЧЕСКИЕ
МОДУЛИ 96
5 14 ОПТИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ 97
6 НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ВОЛС.........................102
6 1 НЕЛИНЕЙНОЕ ПРЕЛОМЛЕНИЕ 102
6 2 ФАЗОВАЯ САМОМОДУЛЯЦИЯ И КРОСС-МОДУЛЯЦИЯ ЮЗ
6 3 ВЫНУЖДЕННОЕ НЕУПРУГОЕ Р М2СЕЯНИЕ 104
6 4 ЧЕТЫРЕХВОЛНОВОЕ СМЕШЕНИЕ 105
6 5 МОДУЛЯЦИОН11АЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ 107
6 6 ОПТ ИЧЕСКИЕ СО ПИТОНЫ 107
6 7 ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВЫЕ КОНВЕРТОРЫ 109
7. УПРАВЛЕНИЕ ВРЕМЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕ-
НИЯ.................................................111
7 1 МОДУЛЯЦИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУ ЧЕНИЯ 111
7 2 ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ 111
7 3 ЭЛЕК IРООПТИЧЕСКИЕ МОДУЛЯТОРЫ (ЭОМ/ 116
«.УПРАВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ОПТИ-
ЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ...................................122
8 1 ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ 122
82 01И ИЧЕСКИЕ КОММУТАТОРЫ И КРОСС-КОММУ 1А ЮРЫ (ОК и ОКК) 123
8 3 ОШИЧЕсКИ! ИЗОЛЯТОРЫ И ЦИРКУЛЯТОРЫ 125
9. ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ..................127
9 1 ПРИНЦИП Д1 ИС1 ВИЯ ФО1ОПРИ) МНИКОВ 127
9 2 11 \Р \МЕ 1 РЫ И X \РАК 11 РИС ГИКИ ФО 1011РИ1 МНИКОВ 128
169
9.3. ФОТОДИОДЫ С ОБЫЧНЫМ Р-Х ПЕРЕХОДОМ..........130
9.4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ФОТОДИОДОВ................135
10. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
(ВОСП)............................................137
10.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ВОСП..................137
10.2. ПЛЕЗИОХРОННАЯ ЦИФРОВАЯ ИЕРАРХИЯ..........139.
10.3. СИСТЕМЫ СИНХРОННОЙ ЦИФРОВОЙ ИЕРАРХИИ......143
10.4. МЕТОД ЧАСТОТНОГО УПЛОТНЕНИЯ...............145
11. ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА И ИЗМЕРЕНИЙ В ВОЛС........147
11.1. ОСОБЕННОСТИ МОНТАЖА ВОЛС..................147
11.2. ИЗМЕРЕНИЯ В ВОЛС..........................149
12. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ......................150
12.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПАРАМЕТРЫ ВОЛОКОННО-
ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ.............................150
12.2. ВОД АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ.................153
12.3. ВОД ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ.....................156
12.4. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ВОД.......................158
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................160
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..........................160
ПРИЛОЖЕНИЕ 1......................................162
ПРИЛОЖЕНИЕ 2......................................164
СОДЕРЖАНИЕ........................................167
ШАРВАРКО ВАЛЕНТИН ГЕОРГИЕВИЧ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ
Учебное пособие
Ответственный за выпуск
Редактор
Корректор
Шарварко В.Г
Кочергина Т.Ф
Селезнева Т Ф
ЛР№020565 от 23 06.97г.
Пописано к печати /Л04рОО6 г.
Бумага офсегная
Усл. пл .-10,6
J VJl. II Л 1 v,v
Заказ
Формат 6060x84* !6
Печать офсетная
Уч.-изд. л. * 10,3
Тираж 100 экз
«С»
Издательство Таганрогского государственного радиотехнического университета
ГСП 17А, Таганрог, 28, Некрасовский, 44
Типография Таганрогскою юсу дарственного радиотехнического университета
ГСП 17А, Таганрог, 28, Энгельса, I