ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ОПТИЧЕСКОЕ СОГЛАСОВАНИЕ
ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
Учебно-методическое пособие для вузов
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2008
Утверждено научно-методическим советом физического факультета 26
марта 2008 г., протокол № 3
Составители: О.В. Овчинников,
М.С. Смирнов, В.А. Шульгин
И.В.
Кавецкая,
А.Н.
Латышев,
Рецензент проф., д-р физ.-мат. наук В.В. Чернышев
Учебное пособие подготовлено на кафедре оптики и спектроскопии
физического факультета Воронежского государственного университета.
Рекомендуется для студентов 4 и 5 курсов дневного отделения
физического факультета Воронежского государственного университета.
Для специальности: 010701 – Физика
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………………...............4
1. Оптические волноводные моды…………………………………….............4
1.1.
Моды в трехслойном планарном
волноводе……………….....................................................................................6
1.2.
Условия отсечки………..……………………………………......11
2. Основы оптического согласования………………………………………..11
2.1.
Поперечные элементы связи………………..…………………..11
2.2.
Прямое фокусирование………………………….........................12
2.3.
Ввод излучения в волокно от газовых, жидкостных и
твердотельных лазеров. Измерение потерь ввода………………..................13
2.4.
Ввод излучения в волокно от полупроводниковых
светодиодов....................………………………………………........................14
2.5.
Ввод излучения в волокно от лазерных диодов……………….14
2.6.
Соединение и потери при соединении оптических
волокон….............................................................................................................6
2.7.
Неразъёмные и разъёмные соединения световодов.
Оптические разъёмы……………………….……………................................18
3. Лабораторная работа………………………………………………….…....21
Контрольные вопросы………………………………………………………...23
Литература……………………………………………………………………..24
3
ВВЕДЕНИЕ
Настоящее пособие предназначено для студентов 4 и 5 курсов
физического факультета, обучающихся по кафедре оптики и
спектроскопии в рамках специализации «Оптоэлектроника и оптические
информационные системы» в рамках специального физического
практикума к курсу «Интегральная оптика». Основной целью данного
раздела специального физического практикума является теоретическое
изучение вопросов ввода излучения в оптическое волокно, его
эффективности в зависимости от типа излучателя и типа волокна, а также
особенностей соединения оптических волокон. Практическая часть этой
работы посвящена экспериментальной реализации ввода лазерного
излучения в оптические волокна разных типов, соединение волокон с
помощью оптических разъёмов, измерение потерь на ввод и соединение.
1.
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДНЫЕ МОДЫ
Оптический волновод используется как среда передачи информации
на оптической несущей в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) и
как элемент связи различных узлов оптической интегральной схемы.
Аналогичную задачу выполняет металлическая дорожка в электрической
интегральной схеме. В отличие от электрического тока, который течет
через металлическую полоску, оптические волны проходят в волноводе в
виде различных оптических мод. Мода представляет пространственное
распределение оптической энергии в одном или более измерениях.
Описание оптического поля наиболее просто может быть выполнено
в планарном трехслойном волноводе, плоскости которого, разделяющие
слои, ортогональны оси х и имеют бесконечное протяжение в двух других
измерениях (z и y).
На рис. 1 показаны вид сбоку на плоский волновод и выбранная
система координат. Предположим, что волновод накладывает ограничения
Рис. 1.
Вид сбоку на плоский волновод и направление нормалей к волновым
поверхностям зигзагообразных волн, соответствующих волноводной
моде
на распространение света вдоль оси х и свет распространяется в
направлении оси z. Кроме того, как сама структура, так и свет однородны в
направлении оси у, перпендикулярной осям х и z. При этих условиях
4
физическое описание волноводного распространения света состоит в том,
что свет идет по пленке по зигзагообразному пути. Более точно – это
картина двух наложенных друг на друга однородных плоских волн,
нормали к волновым фронтам которых движутся по зигзагообразному
пути, показанному на рисунке. Волны испытывают полное внутреннее
отражение на границах пленки. Данные волны монохроматичны и
когерентны, их угловая частота равна ω, длина волны в вакууме λ, а
волновой
вектор в направлении нормали Gк волновой поверхности равен
G
k n1 , причем абсолютная величина вектора k равна:
k = 2π /λ = ω /c0
(1)
где с0 – скорость света в вакууме. Поля таких волн изменяются по
следующему закону:
exp [–ikn1( ± x cosθ + z sinθ)].
(2)
Согласно представлению о зигзагообразных волнах, постоянная
распространения β для волноводной моды в плоском волноводе (и
связанная с ней фазовая скорость vф) определяется следующим
выражением:
β = ω / vф = kn1sinθ
(3)
и является z-составляющей волнового вектора кп1. Однако угол θ не может
принимать любые значения, так как только дискретный набор углов
приводит (а иногда ни один набор не приводит) к появлению
самосогласованной картины распределения поля, которая соответствует
тому, что называется волноводной модой. Для того чтобы более подробно
исследовать данный случай, рассмотрим поперечное сечение волновода
(плоскость z = const) и просуммируем сдвиги фаз, которые появляются при
движении некоторой волны от нижней границы пленки (х = 0) к верхней
границе (х = h) и затем при движении отраженной волны к исходной
границе пленки. В случае самосогласования сумма всех этих фазовых
сдвигов должна быть кратна 2π. В частности для пленки толщиной h сдвиг
фазы за первый проход поперек пленки равен kn1·h·cosθ, сдвиг фазы в
результате полного внутреннего отражения на границе раздела пленка –
покровный слой равен (–2ϕ1), сдвиг за следующий проход вниз поперек
пленки равен kn1·h·cosθ и сдвиг из-за полного внутреннего отражения на
границе раздела пленка – подложка равен (–2ϕ3). Таким образом, мы
получили следующее условие самосогласованности (известное также под
названием условие поперечного резонанса):
2kn2 hcosθ – 2ϕ3 – 2ϕ1 = 2mπ,
(4)
где m – целое число (0, 1, 2...), которое определяет порядок моды.
Соотношение (4), по существу, является дисперсионным уравнением
волновода, которое определяет постоянную распространения β как
функцию частоты ω и толщины пленки h.
5
Ниже рассматривается концепция оптических мод в плоских
волноводных структурах и приводятся ключевые результаты волноводной
теории. Распределение поля в такой структуре позволяет исследовать
возможные моды без полного решения волновых уравнений.
1.1.
Моды в трехслойном планарном волноводе
Пусть электрическое и магнитное поля имеют периодическую
зависимость от времени:
G
G
G
E(t) = Eexp(iωt) + E*exp(−iωt) ,
(5)
G
где E – комплексная амплитуда, ω – угловая частота и звездочка
обозначает комплексно-сопряженную величину. Предполагаем, что среда
не имеет потерь, не магнитная (μ = 1) и обладает скалярной
диэлектрической проницаемостью
G ε(ωG). В этом случае
G
G
D = ε 0ε E ;
B = μ0 H ,
(6)
где ε0 и μ0 – электрическая и магнитная постоянные вакуума, ε –
относительная диэлектрическая постоянная среды, которая является
скалярной функцией координат.
Уравнения Максвелла для комплексных
G
G амплитуд имеют вид:
(7)
rot E = −iωμ 0 H ;
G
G
rotH = iωε 0ε E.
(8)
Мода волновода определяется как решение уравнения для напряженностей
поля, записанных в следующемG виде:
G
E ( x, y, z ) = Eν ( x, y )exp(− iβν z ) ,
(9)
G
G
H ( x, y, z ) = Hν ( x, y )exp(− iβν z ) ;
(10)
здесь ν – индекс моды (показывающий, например, номер моды) и βν –
постоянная распространения данной моды, т. е. составляющая волнового
вектора, параллельная оси z.
Рассмотрим простую трехслойную волноводную структуру,
представленную на рис. 2. Все слои предполагаются бесконечно
простирающимися в направлениях y и z, а слои 1 и 3, кроме того,
полубесконечными в направлении х. Толщина слоя 2 равна h.
Предполагается, что световые волны распространяются в направлении z.
Для того чтобы найти распределение полей по сечению плоского
световода, необходимо записать волновые уравнения для составляющих
полей в каждом из слоев, внутри которых gradε = 0, а затем на полученные
решения наложить граничные условия. Решения естественно провести в
прямоугольной системе координат, учитывая при этом, что зависимость
6
Рис. 2.
Основная структура трёхслойного планарного волновода. Показаны
три моды, представляющие собой распределение электрического
поля в направлении x
полей от продольной координаты z имеет вид е-iβz. Поскольку вдоль
координаты у среда однородна, то можно принять, что поле не зависит от
этой координаты, т. е. удовлетворяет условию равенства нулю
производных от полей (д/ду = 0). В планарном волноводе существуют
поперечные электрические моды (ТЕ) с нулевым значением продольной
составляющей электрического поля (Еz = 0) и поперечные магнитные
моды (ТМ) с нулевым значением продольной магнитной составляющей
(Нz = 0). Существует и другое обозначение: первый тип мод, имеющий
составляющие полей Ey, Hx и Hz, называется Н-волнами, второй,
имеющий Hy, Ex и Ez, называется Е-волнами.
Учитывая, что электрическое поле H-волн имеет одну
составляющую Ey, удобно сначала определить ее, а магнитное поле Нх и Нz
найти через Еу из уравнений Максвелла (7, 8). Чтобы упростить
обозначения, при выводе волновых уравнений индекс моды опускается.
В случае ТЕ-мод, положив Еz = 0, из (8) получим Нy = 0. Для
комплексных амплитуд из (7) и (8) с учетом (9) и (10) имеем:
β Ey = –ω μ0 Нх,
(11)
∂ Ey
= − iωμ 0 H z ,
(12)
∂x
∂H z
+ iβ H x = −iωε 0ε E y .
(13)
∂x
Объединив (11), (12) и (13), получим волнововое уравнение для Еу:
∂2Ey
+ n2k 2 − β 2 E y = 0 ,
(14)
2
∂x
где k = ω/c = ω ε 0 μ 0 = 2π/λ – волновой вектор.
(
7
)
Для ТМ-мод аналогично можно получить волновое уравнение для Hy:
n2
(
)
∂ ⎛ 1 ∂Hy ⎞ 2 2 2
+ n k − β Hy = 0.
∂x ⎜⎝ n2 ∂x ⎟⎠
(15)
Решение волновых уравнений и сущность физических процессов,
ими описываемых, существенно зависит от знака собственного числа
задачи (k2n2 – β2). Соответственно различают направляемые, или
волноводные, когда энергия сосредоточена вблизи оси, и излучаемые
волны, энергия которых излучается в окружающую волновод среду. Кроме
того, существуют также затухающие моды с мнимыми значениями
постоянных распространения βν = –iαν и моды, которые затухают по
закону exp(–αν·z). Направляемые волны образуют конечный дискретный
набор. Волны излучения образуют непрерывное множество и
непрерывный бесконечный пространственный спектр собственных чисел.
Поэтому нельзя физически возбудить какую-то одну волну излучения.
Всегда возбуждается совокупность волн, и реальное поле выражается в
виде интеграла от волн излучения, при этом оно, естественно, обладает
конечной мощностью. Волны излучения необходимо вводить для описания
процессов излучения, возникающих на неоднородностях световодов
(изгибах, при изменении сечения, различных включений в световоды и
т. д.). Возможные моды плоского световода представлены на рис. 3.
Рассмотрим, каким образом форма мод изменяется в зависимости от β для
случая постоянной частоты ω и n2 > n3 > n1. Указанное относительное
расположение индексов отражает довольно распространенный случай,
соответствующий, например, волноводному слою с показателем
преломления n2, сформированному на подложке с меньшим показателем n3
и окруженному воздухом с показателем преломления n1. Необходимым
условием распространения волны вдоль слоя 2 является то, что n2 должно
быть больше, чем n1 и n3. Для волоконного световода n1 = n3.
Когда β > kn2, функция Е(х) должна быть экспоненциальной во всех
трех областях, и только форма моды, обозначенная на рис. 3а, может
удовлетворять граничным условиям, при которых функции Е(х) и dE(x)/dx
непрерывны на границе раздела. Эту моду нельзя физически реализовать
вследствие того, что поле неограниченно возрастает в слоях 1 и 3, что
требует приложения бесконечно большой энергии. Моды b и c являются
локализованными модами волновода, обычно называемыми поперечными
электрическими модами нулевого и первого порядка ТЕ0 и ТЕ1.
В волноводе могут поддерживаться моды, для которых значение β
больше kn1, но меньше kn3. Если kn1 < β < kn3, будут возникать моды,
представленные на рис. 3d. Этот тип моды, ограниченный воздухом, но
изменяющийся в подложке по синусоидальному закону, часто называют
радиационной модой подложки. Она может поддерживаться волноводной
8
Рис. 3.
Возможные моды в плоском волноводе при n2 > n3 > n1
структурой, но из-за непрерывных потерь энергии из волноводной
области 2 в область 3 подложки по мере распространения она быстро
затухает на небольшом расстоянии. Следовательно, ее нельзя использовать
для передачи сигнала.
Если β < kn1, то решение для функции Е(х) будет иметь
колебательный характер во всех трех областях волноводной структуры.
Эти моды не являются волноводными, так как энергия свободно уходит из
волноводной области 2.
Найдем решение волнового уравнения (14) прежде всего для
направляемых волн в плоском световоде. Поскольку волновые числа
различны для разных сред, то собственное число (k2n2 – β2) может быть для
них как положительным, так и отрицательным. Для существования
направляемых волн необходимо, чтобы оно было положительным для слоя
и отрицательным для подложки и покрытия. Эти условия можно записать
следующим образом:
k 22 n22 − β 2 = γ 2 2 ;
(16)
k12 n12 − β 2 = −γ 12 ; k32 n32 − β 2 = −γ 32 .
Таким образом, область существования направляемых волн
определяется неравенствами k3 < |β| < k2, если k1 ≤ k3.
Условия (16) являются необходимыми и достаточными для
обеспечения полного внутреннего отражения от границ раздела сред со
слоем. Поскольку при полном отражении поле вдоль нормали к разделу
9
сред в более плотном диэлектрике имеет вид стоячей волны, а в менее
плотном спадает по мере удаления от границ, удобно записать решение
уравнения (14) следующим образом:
⎧ A1 exp[ −γ 1( x − h)] ,
⎪
Ey(x) = ⎨ A2 cos[γ 2 x − ϕ ],
⎪
⎩ A3 exp ⎡⎣γ 3x⎤⎦ ,
x > h,
0 < x < h,
(17)
x<0
На основе теоремы единственности решения уравнения Максвелла
известно, что поле можно записать в какой угодно форме, но если оно
удовлетворяет граничным условиям, то является правильным и
единственным. Граничными условиями являются непрерывность
касательных составляющих поля на границах слоя с координатами x = 0 и
x = h:
при х = 0 Еу2= Еу3; Hz2= Hz3
при х = h Еу2 = Еу1; Hz2 = Hz1.
Следовательно, для записанной системы получим следующие соотношения
между параметрами:
x = 0; A2 cos(ϕ3) = А3;
γ2А2 sin(ϕ3) = γ3А3;
x = h; A2 cos(γ2h - ϕ1) = А1; γ2А2 sin(γ2h - ϕ1) = γ1А1.
(18)
Здесь ϕ1 и ϕ3 – сдвиг фаз на соответствующей границе. Поперечное
волновое число γ2 определяет период стоячей волны в направляющем слое,
а величины γ1 и γ3 – глубину проникновения поля в подложку и покрытие,
соответственно, (расстояние, на котором поле уменьшается в е раз). Из (18)
получаем формулы для сдвига фаз:
tg ϕ 1=γ1/γ2,
tgϕ 3 = γ3/γ2
(19)
и дисперсионное соотношение:
γ2h –ϕ1 – ϕ3 = mπ,
(20)
где индекс моды m – целое число. Полученное соотношение находится в
согласии с дисперсионным соотношением (4). Так же можно получить
соотношение между амплитудами полей А1, А2 и А3 в виде:
A12 n22 − N 2 = A32 n22 − n32 = A12 n22 − n12 ,
введя N = β/k – эффективный показатель преломления. Величина N имеет
смысл замедления волны в световоде, так как фазовая скорость волны vф
= = ω/β = c0/N.
В соответствии с числом т ТЕ-моды или волны магнитного типа
обозначаются как Нт. Распределение поля излучательных мод имеет вид:
(
)
(
)
(
⎧ A1 exp[ −γ 1( x − h)] ,
x > h,
⎪
Ey(x) = ⎨ A2 cos[γ 2 ( x − h) + ϕ1] , 0 < x < h,
⎪
x < 0.
⎩ A3 cos ⎣⎡γ 3x + ϕ ⎦⎤ ,
)
(21)
Излучение происходит, когда собственное число (k2n2 – β2) в (16)
положительно не только для направляющего слоя, но и для подложки и
10
покрытия:
k 22 n22 − β r2 = σ 2 ;
k12 n12 − β r2 = ρ12 ;
k32 n32 − β r2 = ρ22 .
(22)
Здесь βr – коэффициент фазы волн излучения; σ и ρ1,2 – новые обозначения
собственных чисел.
1.2. Условия отсечки
Решение уравнения (20) с учетом (19) численными методами
приводит к принципиально важному результату: для данной длины волны
λ (частоты света ω) и толщины световодного слоя h возможен дискретный
набор значений угла падения волны на поверхность раздела θ = θm, т. е. в
волноводном слое световая энергия переносится дискретными модами,
каждой из которых соответствует угол θm и константа распространения βm.
Дискретные значения β лежат в области между kn3 и kn2. Эти дискретные
значения соответствуют различным модам ТЕm, m = 0, 1, 2.… (Или ТМk,
k = = 0, 1, 2….) Число поддерживаемых мод зависит от толщины
волноводного слоя, а также от ω, n1, n2 и n3. Для данных толщин h
существует частота отсечки ωс, ниже которой не могут иметь места
волноводные свойства. Эта частота ωс соответствует длинноволновой
отсечке λс, для которой можно определить минимальную (критическую)
толщину hс, соответствующую только одной волноводной моде.
2.
ОСНОВЫ ОПТИЧЕСКОГО СОГЛАСОВАНИЯ
Основными характеристиками любого элемента связи являются его
эффективность и модовая избирательность. Эффективность сопряжения,
как правило, определяется частью общей энергии оптического пучка,
введенной в волновод или выведенной из него. Для элементов связи с
модовой избирательностью эффективность сопряжения можно выразить
независимо для каждой моды. Однако многомодовые элементы связи, как
правило, характеризуются общей эффективностью. Поэтому самое общее
определение
эффективности
сопряжения
дается
следующим
соотношением:
ηCm = Энергия, введенная (или выведенная) / Полная энергия до
сопряжения.
2.1. Поперечные элементы связи
Поперечные элементы связи представляют собой такие элементы, в
которых пучок фокусируется на специально подготовленное поперечное
сечение волновода. Для случая пучка в свободном пространстве (воздухе)
такую фокусировку можно выполнить с помощью линзы. Поперечное
11
сопряжение двух твердотельных волноводов можно осуществить, соединяя
встык отполированные или сколотые торцы волноводов.
2.2. Прямое фокусирование
Самым простым методом поперечного сопряжения лазерного пучка с
волноводом является прямое фокусирование или метод светящегося
конца, представленный на рис. 4. Передача оптической энергии лазерного
пучка
Рис. 4. Блок-схема ввода излучения в оптическое волокно:
1 – излучатель; 2 – пучок коллимированного оптического
излучения; 3 – фокусирующая линза; 4 – механическое
юстировочное устройство; 5 – оптоволоконный волновод; 6 –
фотоприемник
достигается за счет сопряжения полей пучка и волноводной моды.
Эффективность сопряжения можно рассчитать из интеграла перекрытия
пространственных распределений полей падающего пучка и волноводной
моды. Интеграл перекрытия задается выражением:
ηCm =
∫
[∫ A(r ) Bm∗ (r )dr ]2
,
A(r ) A∗ (r )dr∫ Bm (r ) Bm∗ (r )dr
(23)
где A(r) – амплитудное распределение входного лазерного пучка, B(r) –
амплитудное распределение моды m-го порядка. Коэффициент
эффективности ввода, определяемый выражением
η = РВ/РИ,
(24)
в децибелах (дБ) запишется как
А = – 10 lg(РВ/РИ).
(25)
Так, при РВ = РИ, А = 0 дБ – потерь на ввод нет, РВ = РИ/2, А = – 3 дБ –
потери на ввод составляют 3 дБ, РВ = 0,1 РИ, А = – 10 дБ – потери на ввод
составляют 10 дБ.
Измерение потерь в децибелах удобно и широко распространено, так
как позволяет находить общие потери в системе, суммируя потери на
составляющих её элементах.
Эффективность ввода излучения в волокно зависит от:
1) взаимного расположения излучателя и ОВ;
2) числовой апертуры излучателя (NA)И и волокна (NА)В;
3) площади излучающей поверхности и диаметра сердцевины волокна;
12
4) отражения излучения от торцов световода;
5) параметров используемых оптических элементов, их просветления.
2.3.
Ввод излучения в волокно от газовых, жидкостных
и твердотельных лазеров. Измерение потерь ввода
Перечисленные выше лазеры, как правило, имеют резонаторы
большой длины, диаметр излучающей поверхности d ≥ 1 мм, поэтому
угловая расходимость (апертура) генерируемого ими излучения не
превышает нескольких миллирадиан.
Излучение, выходящее из лазеров такого типа, можно в высокой
степени считать коллимированным (параллельным) и монохроматичным.
Поэтому ввод излучения в волокно от таких лазеров обычно производят с
помощью тонкой фокусирующей линзы (рис. 3).
Выходящее из лазера 1 излучение 2 фокусируется линзой 3 на
входной торец ОВ 5. Если диаметр пучка излучения равен DП, то фокусное
расстояние линзы f выбирают таким, чтобы апертура падающего на торец
ОВ пучка не превышала апертуру самого волокна, т. е. чтобы выполнялось
соотношение:
DП/2f ≤ (NA)В.
(26)
Диаметр фокального пятна при этом должен быть равен диаметру
сердцевины волокна.
На юстировочном устройстве 4 закрепляют приёмный торец ОВ.
В общем случае, чтобы совместить торец ОВ с фокусом линзы и
обеспечить согласование осей линзы и приёмного волокна,
юстировочное устройство должно быть пятикоординатным (три
пространственных и две угловых координаты). При этом, например для
одномодового волокна, точность перемещения по пространственным
координатам должна быть не хуже 0,2 мкм.
Выходной торец волокна соединяют с ваттметром (измерителем
оптической мощности). С помощью юстировочного устройства, перемещая
приёмный торец волокна, добиваются максимальных показаний ваттметра,
после чего он фиксируется.
Для снижения потерь, связанных с отражениями от поверхностей
линзы, применяют просветляющие покрытия.
Указанный способ ввода излучения эффективен как для
многомодовых, так и для одномодовых волокон. При этом потери на ввод
обычно не превышают нескольких десятых долей децибела.
2.4.
Ввод излучения в волокно от полупроводниковых светодиодов
Светодиоды имеют числовую апертуру выходящего излучения
(NA)СД ~ ~ 0,3–0,7, что значительно превышает числовую апертуру
13
стандартных многомодовых волокон (NA)В ~ 0,2.
Диаметр излучающей поверхности светодиодов DСД обычно больше
диаметра сердцевины многомодового волокна DВ.
Применение линзовых систем может уменьшить диаметр пучка
падающего из светодиода на торец волокна, сделав его равным диаметру
сердцевины ОВ, но при этом апертура пучка возрастёт по сравнению с
исходной. Поэтому ни одна оптическая система не может повысить
значение эффективности ввода, если условия оптического согласования
(23) не оптимальны, а, учитывая неизбежные потери, связанные с
отражениями и поглощением в самой линзовой системе, только ухудшит
эффективность ввода.
Рис. 5.
Непосредственный ввод излучения светодиода в оптическое волокно
Выраженные в децибелах, потери на ввод излучения от СД в
многомодовое ОВ обычно составляют 15–20 дБ. В одномодовые волокна
излучение от СД из-за ничтожной эффективности не вводят.
2.5.
Ввод излучения в волокно от лазерных диодов
В полупроводниковых лазерных диодах (ЛД) между толщиной
волноводного слоя dy, шириной dx и длиной волны λ его излучения обычно
существует следующее соотношение:
dy < λ < dx.
(27)
Толщина активного слоя у большинства ЛД лежит в пределах 0,1–0,3 мкм,
ширина – 2–10 мкм. Так как световой поток, излучаемый лазерным
диодом, вследствие дифракции расширяется тем больше, чем меньше
излучающий торец ЛД, то угол излучения в вертикальном направлении θ┴
будет больше угла излучения в горизонтальном направлении θ║. Обычно
θ║ ~ 10–150, θ┴ ~ 30–600, т. е. сечение излучения имеет форму эллипса с
большей полуосью в вертикальном направлении.
Так как размеры излучающей площадки ЛД меньше диаметра
сердцевины не только многомодовых, но и одномодовых ОВ, то потери на
14
ввод излучения в волокно связаны, в основном, с превышением
апертурных углов излучения ЛД над апертурным углом волокна.
Существует несколько различных способов ввода излучения от ЛД в ОВ,
отличающихся как по технологической сложности, так и по
эффективности.
Непосредственное соединение полупроводниковых лазеров с оптическим
волокном
Непосредственное соединение ЛД с волокном возможно как без
дополнительной обработки торца приёмного ОВ (рис. 6а), так и с его
преобразованиями (рис. 6, б, в). При непосредственном соединении ЛД с
многомодовым световодом (рис. 6а) потери на ввод обычно не менее 7 дБ.
Рис. 6. Непосредственное соединение лазерного диода со световодом
При соединении с одномодовым оптическим волокном торец
световода закругляют, придают ему конусообразную форму, тем самым
создавая микролинзу (рис. 6б). Наиболее эффективно изготовление
микролинзы путём травления торца оптического волокна (рис. 6в).
Использование микролинз на торце ОВ позволяет увеличить интеграл
перекрытия (23) поля излучения и поля волноводной моды.
Соединение лазерного диода с оптическим волокном с помощью линз
Так как на выходе из лазера излучение в сечении имеет форму
эллипса, то часто для его коррекции до круглой формы применяется
цилиндрическая линза, позволяющая сократить расходимость пучка в
15
вертикальном направлении. Этот способ позволяет уменьшить потери на
ввод с 7 дБ (рис. 6а) до 5 дБ.
Применение же сферических и градиентных (другое название –
граданы) линз позволяет уменьшить потери на ввод до 1 дБ для
многомодовых ОВ и до 2 дБ для одномодовых ОВ. Пример комбинации
сферических и градиентных линз при вводе излучения в оптическое
волокно приведён на рис. 7. Здесь излучающий торец ЛД помещён в
фокусе сферической линзы, которая коллимирует выходящий из ЛД
расходящийся пучок. Градан служит для фокусировки излучения на торец
волокна.
Рис. 7. Ввод излучения в оптическое волокно с помощью сферической
и градиентной линз
В настоящее время выпускаются ЛД, стыкованные с одномодовым
волокном, у которых типовая мощность излучения, введённого в волокно,
составляет ~ 5 мВт, а потери на ввод обычно не превышают 2–5 дБ.
2.6. Соединение и потери при соединении оптических волокон
При непосредственном (торцевом) соединении оптических волокон
друг с другом величина потерь на соединение определяется практически
теми же факторами, что и при соединении излучателя с волокном:
1) взаимным расположением световодов;
2) неидентичностью параметров соединяемых ОВ (по размерам
сердцевины, профилю показателя преломления, величине числовой
апертуры);
3) отражениями от торцов световодов.
Потери при рассогласованном соединении оптических волокон
Неидентичность взаимного расположения волоконных световодов
определяется их радиальным смещением (децентровкой), осевым рассогла(наличием
зазора
между
торцами
ОВ),
угловым
сованием
рассогласованием. Виды рассогласования перечислены в порядке
убывания их влияния на величину потерь при соединении оптических
волокон. На рис. 8 изображены виды рассогласований и зависимость
потерь (рис. 9) от их величины при соединении градиентных оптических
волокон.
16
Существуют также приближённые формулы для вычисления потерь,
вызванных каждым из трёх видов рассогласования при соединении
различных типов ОВ.
Рис. 8. Типы рассогласования оптических волокон при их соединении
Рис. 9. Потери при соединении градиентных волокон, обусловленные
различными видами рассогласования
17
Потери, обусловленные отражением от торцов оптических волокон
Оптические потери, обусловленные отражением излучения от торцов
соединяемых волокон из-за несовпадения показателей преломления
сердцевины волокон и среды в зазоре между ними (френелевы потери),
можно оценить по формуле:
AF = – 10 lg {1 – 2[(n1 – n)/(n1 + n)]2},
(28)
где n1, n – показатели преломления сердцевины волокон и среды между
ними соответственно. В случае воздушного зазора между торцами
кварцевых световодов АF ~ 0,3 дБ.
2.7.
Неразъёмные и разъёмные соединения световодов.
Оптические разъёмы
Практически ни одна система волоконно-оптических линий связи
(ВОЛС) не обходится без соединения волокон между собой, а также с
оконечной аппаратурой (излучателями, фотоприёмниками). Так, при
прокладке волоконно-оптических кабелей (ВОК) для дальней связи
регенерационные участки имеют длину более 200 км, тогда как длина самих
кабелей обычно не превышает 50 км. Поэтому при строительстве ВОЛС
осуществляют неоднократные соединения ОВ, называя участок между
двумя соединениями строительной длиной.
В локальных сетях требования к соединениям ОВ иные, чем в
магистральных. В этом случае большинство соединений ОВ должно быть
разъёмным, а также при многократном повторении стыковок не терять
своего качества. Поэтому все соединения можно разделить на 2 типа:
неразъёмные (сростки) и разъёмные, осуществляемые с помощью
оптических разъёмов.
Неразъёмные соединения
Неразъёмные соединения ОВ обычно осуществляют с помощью
сварки и значительно реже посредством склеивания. Аппарат для сварки
ОВ является одним из основных технических приборов при работе с
оптическими волокнами. Принцип его действия основан на расплавлении
(обычно с помощью электрической дуги) предварительно отъюстированных
концов ОВ и последующем их сведении и слиянии. В настоящее время в
основном используются полуавтоматические (требующие предварительной
юстировки оптических волокон оператором) и автоматические сварочные
аппараты. Принцип работы части автоматических сварочных аппаратов
основан на вводе контрольного оптического сигнала в сердцевину первого
ОВ и съёме его из сердцевины второго, максимизируя выходной сигнал
перемещением ОВ с помощью микроподвижек (LID-метод). Ввод и
вывод сигналов осуществляется на изгибах волокна (рис. 10).
18
Рис. 10. Юстировка световодов методом LID при сваривании волокон
Во многих сварочных аппаратах автоматическая юстировка волокон
производится путём выравнивания их профилей по изображениям на
высокоразрешающих ПЗС матрицах (PAS-метод).
Блок микропроцессорного управления регулирует величину тока
оплавления и сварки, время подачи электрической дуги, скорость и
величину перемещения ОВ и другие параметры. Как правило,
автоматические сварочные аппараты могут работать по десяткам программ
в зависимости от типа волокон и требований к параметрам сварного
соединения. Для защиты сварного сростка на него надевается защитная
гильза, эта операция осуществляется в самом сварочном аппарате.
Типовые потери на стыке при сварке обычно не превышают 0,01 дБ
Рис. 11. Гистограмма типовых потерь для сварочного аппарата S-174H
(Fujikura)
при сваривании многомодовых волокон и 0,02 дБ при сваривании
одномодовых. На рис. 11 приведена типовая зависимость числа сварок,
обеспечивающих соответствующее значение потерь, для сварочного
19
аппарата S-174Н (Fujikura). При соединении ОВ склеиванием обычно
используют пластину с концевыми направляющими капиллярами и
прецизионной V-образной канавкой между ними. В эту канавку вводят
концы сращиваемых волокон и после касания торцов световоды
фиксируют механическими прижимами. Заполнив канавку иммерсионным
клеем, получают неразъёмное соединение ОВ.
Если же вместо клея использовать иммерсионный гель, то
соединитель
(механический
сплайс),
позволяющий
получается
осуществлять многократные соединения ОВ. При таком соединении
требования к качеству торцов ОВ невысоки, а потери обычно не
превышают 0,2 дБ для всех типов волокон.
Разъёмные соединители (оптические разъёмы)
Разъёмные соединители в основном используются в оконечной
аппаратуре. Выпускаемые в настоящее время для ВОЛС излучатели и
фотоприёмники постоянно соединены с небольшими отрезками
оптического волокна, и для их подключения к ВОЛС применяют
оптические разъёмы. Часто оптические разъёмы используют и для
соединения ОВ между собой.
Оптический разъёмный соединитель (коннектор) состоит из двух
частей: вилки и соединительной розетки.
Основной деталью любого коннектора является осесимметричный
наконечник с отверстием в центре, в котором зафиксирован конец
световода. Для уменьшения потерь при соединении торец световода
шлифуется и полируется заподлицо с торцом наконечника. При
сращивании световодов наконечники коннекторов вставляют с двух
сторон в соединительную розетку со специальным центратором. Для
фиксации установленного коннектора может использоваться байонетный
элемент (коннектор типа ST), защёлка (коннектор типа SC), накидная гайка
(коннекторы типа FC и SMA).
Аналогично производится подключение к световоду оконечного
активного оборудования, интерфейс которого снабжается ответной частью
розетки соединителя.
Типичные характеристики оптических разъёмов: вносимые потери –
0,1–0,3 дБ как для одномодовых, так и для многомодовых ОВ, обратные
потери (из-за отражений от торцов) – 45–55 дБ. Производители
гарантируют многократное использование коннекторов (до 500
соединений) без существенного ухудшения их параметров.
Иногда при соединении ОВ используют микролинзы (как
сферические, так и градиентные). Соединения такого типа менее
технологичны и, следовательно, более дороги. Но, имея свои достоинства
(например, они позволяют разнести линзы на десятки миллиметров без
роста оптических потерь), нашли применение при решении широкого
20
круга задач (рис. 12). Излучение, выходящее из первого световода,
коллимируется линзой 1, а потом, с помощью линзы 2, фокусируется на
второй световод.
Рис. 12. Соединение оптических волокон с помощью градиентных
и сферических микролинз
В заключение отметим, что для всех перечисленных видов
соединений необходимым условием минимизации потерь является
хорошее качество скола торца и его перпендикулярность оси ОВ.
3.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Приборы и материалы:
1) полупроводниковый лазер;
2) ваттметр поглощаемой мощности оптический ОМ3-65;
3) набор собирающих линз с различными фокусными расстояниями;
4) трёхкоординатное юстировочное пьезоустройство;
5) набор отрезков многомодовых и одномодовых волокон с
коннекторами на концах (патчкордов);
6) соединительные розетки.
7) экран.
Порядок выполнения работы
Перед началом выполнения работы необходимо ознакомиться с
инструкцией по технике безопасности при работе с источниками
когерентного излучения (лазерами) и электроизмерительными приборами.
1. Включить питание лазера, ваттметр поглощаемой мощности,
блок управления юстировочным устройством и дать им прогреться в
течение 5–10 мин.
2. Направить излучение лазера 1 (рис. 13а) на входной разъём
ваттметра 2 и измерить оптическую мощность Ризл.
3. Отцентрировать фокусирующую оптическую систему лазер –
линза (добиться, чтобы при фокусировке излучения линзой её фокус лежал
на оптической оси лазерного пучка). При этом излучение направлять на
экран.
21
4. Измерить излучение, прошедшее через линзу 3 (рис. 13б), оценить
потери на ней (в % и дБ).
Рис. 13. Последовательность проведения эксперимента по определению
потерь на ввод излучения в оптическое волокно и на соединение двух
патчкордов разъёмом
5. Поместить один из коннекторов многомодового патчкорда 5
(рис. 13в) на юстировочное устройство 4, а другой соединить с розеткой
ваттметра. С помощью линзы 3 сфокусировать излучение лазера на входной
торец волокна и, перемещая волокно с помощью юстировочного устройства,
добиться максимальных показаний ваттметра Р. По результатам
эксперимента оценить эффективность ввода излучения в волокно в
процентах и децибелах по формулам: η = Р/Ризл×100 %; A = 10 lg (Р/Ризл).
6. Соединив патчкорд 5 со вторым патчкордом 6 с помощью
соединительной розетки, определить потери в дБ на оптическом разъёме 7
(рис. 13г).
7. Повторить действия, описанные в пунктах 5 и 6 для одномодовых
патчкордов.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Указать основные факторы потерь при соединении излучателей с
волокном.
2. Почему не вводят в одномодовые волокна излучение светодиодов?
3. Описать способы стыковки полупроводниковых лазеров с
волокном, достоинства и недостатки каждого из них.
22
4. Основные виды рассогласования волокон и связанные с ними
потери.
5. Типы соединения волокон, конструкции оптических разъёмов.
23
ЛИТЕРАТУРА
1. Гауэр Дж. Оптические системы связи / Дж. Гауэр. – М. : Радио и
связь, 1989.
2. Семёнов А.Б. Волоконная оптика в локальных и корпоративных
сетях связи / А.Б. Семенов. – М. : КомпьютерПресс, 1998.
3. Основы оптоэлектроники / Я. Самацу [и др.]. – М. : Мир, 1988.
4. Волоконно-оптические системы передачи : учебник для вузов /
М.М. Бутусов [и др.]; под ред. В.Н. Гомаина. – М. : Радио и связь, 1992.
5. Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи,
измерения / А.Б. Иванов. – М. : Компания Сайрус Систем, 1999.
6. Сивухин Д.В. Оптика : учеб. пособие / Д.В. Сивухин. – М. : Наука,
1985.
7. Курбатов Л.Н. Оптоэлектроника видимого и инфракрасного
диапазонов спектра / Л.Н. Курбатов. – М. : Изд-во МФТИ, 1999.
8. Скляров О.К. Современные волоконно-оптические системы
передачи / О.К. Скляров. – М. : СОЛОН-Р, 2001.
24
Учебное издание
ОПТИЧЕСКОЕ СОГЛАСОВАНИЕ
ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
Учебно-методическое пособие
Составители:
Овчинников Олег Владимирович,
Кавецкая Ирина Валериевна,
Латышев Анатолий Николаевич,
Смирнов Михаил Сергеевич,
Шульгин Владимир Алексеевич
Редактор О. А. Исаева
Подписано в печать 14.07.08. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 1,5.
Тираж 100 экз. Заказ 1302.
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета.
394000, г. Воронеж, пл. им. Ленина, 10. Тел. 208-298, 598-026 (факс)
http://www.ppc.vsu.ru; e-mail: [email protected]
Отпечатано в типографии Издательско-полиграфического центра
Воронежского государственного университета.
394000, г. Воронеж, ул. Пушкинская, 3. Тел. 204-133.
25
26