Оптоволоконные информационные технологии

ОПТИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
ЛЕКЦИЯ №6
Оптоволоконные информационные
технологии
Астапенко В.А., д.ф.-м.н.
1
Оптоволоконные ИТ
• Волоконный световод: свойства,
производство применение;
• Элементы волоконно-оптических систем,
линии связи;
• Волоконные сенсоры и системы;
• Оптоволоконные лазеры;
• Оптоволокно на фотонных кристаллах
2
Принцип
работы
Принцип
работы
оптоволокна
3
Немного истории
В 1958 году американцы Артур Шавлов и Чарльз Г.
Таунс, и независимо советские физики Прохоров и
Басов разработали лазер
1970 Компания Corning изобретает световод с малыми
потерями (менее 20 дБ/км)
1972 Потери снижены до 4 дБ/км
1979 Потери менее 0.2 дБ/км вблизи длины волны
излучения 1.55 мкм
1988 Первый трансатлантический кабель
4
Применение
1.
2.
3.
4.
5.
Оптическая связь
Передача света и мощного излучения
Передача изображения (эндоскопы)
Волоконные источники когерентного
излучения
Датчики и сенсорные системы
5
Преимущества волоконных линий
связи
•
•
•
•
Высокая скорость передачи информации
по каналу (до 160 Гб/сек)
Высокое число каналов и общая скорость
передачи (до нескольких Тбит/сек)
Нечувствительность к различного рода
электромагнитным полям
Высокая защищенность информации
6
Методы уплотнения каналов
Уплотнение каналов по времени OTDM (Optical Time
Division Multiplexing)
Спектральное уплотнение каналов (WDM):
2-х канальное WDM
CWDM (Coarse WDM - до 18 каналов
в диапазоне 1271-1611 нм)
DWDM (Dense WDM - до 160 каналов
(разделение по
каналам до 25 ГГц,
диапазон 1530-1565 нм)
7
Материал волноводных компонентов
В стандартном волокне оболочка состоит из нелегированного кварцевого
стекла.
Для повышения показателя преломления сердцевины стекло легируют
(внедряют в структуру в процессе производства) добавки.
В телекоммуникационных световодах для этих целей используется
германий, входящий в стекло в виде оксида GeO2. Технология именно
таких световодов сейчас доведена практически до совершенства на
промышленном уровне.
В качестве защитного покрытия используются полимерные оболочки на
основе акрилата. Для специальных, часто высокотемпературных
применений, световод может быть покрыт другими составами, такими как
полиамид или, даже, металл.
8
Синтез заготовок
•Vapour Axial Deposition (VAD)
•Outside Vapour Deposition (OVD)
•Modified Chemical vapour Deposition (MCVD)
•Plasma Chemical Vapour Deposition (PCVD)
•Plasma Outside Deposition (POD)
•Surface Plasma Chemical Vapour Deposition
(SPCVD)
•Rod-In-Tube
9
Синтез заготовок
SiCl4  O2   SiO2  2Cl2
GeCl4  O2   GeO2  2Cl2
10
Технология MCVD
11
Вытяжка волокон
12
Основные характеристики
1.
2.
3.
4.
Количество мод световода, диаметр
сердцевины, длина волны отсечки
Числовая апертура, изгибные потери
Оптические потери
Межмодовая и хроматическая
дисперсия
13
Структура волоконного световода
1.
2.
3.
4.
Сердцевина
Оболочка
Защитное покрытие
Оболочка кабеля
14
Различные режимы работы
15
Числовая апертура и V параметр
NA  sin   nc2  no2
V
2 r

nc2  no2
Для ступенчатого профиля
показателя преломления,
волоконный световод является
одномодовым, когда V<2.405
16
Волноводный параметр
V
2 r

nc2  no2
Условие одномодового режима (мода HE11)
V < 2,4048
Количество мод:
Для ступенчатого световода: N = V2/2
Для градиентного световода: N = V2/4
17
Диапазоны прозрачности оптоволокна
 I0 
  10  log   L
 I1 
18
Материальная дисперсия
Кривые дисперсии (а) и поглощения (б)
диэлектрика с двумя резонансными частотами
4 e 2 N
  n '  1
m
2
fk 0
k  2   2  i ;
k0
k0
19
Материальная дисперсия
20
, nskm-1
M, nsnm-1km-1
1,0
0,8
0,5
0,3
160
80
0,1
0,08
0,05
0,03
, m
0
0,8
1,0
1,2
1,6
-80
0,01
0,8
1,0
1,2
а)
1,4
1,6
, m
б)
Пример зависимости уширения импульса в германосиликатном
световоде (а) и материальной дисперсии стекла сердцевины (б)
от длины волны [1].
21
Волноводная дисперсия
E
n0
сердцевина
n1
n0
оболочка
Пример распределения поля E в ВС
22
Потери в оптическом волокне
23
Измерение потерь в волокне методом
«облома» или «обрыва»
24
Волокна с сохранением поляризации
(PM – Polarization Maintaining fibers)
25
Отражатель Брэгга
(одномерный фотонный кристалл)
D  d1  d 2
n
2k   
0 
2
D
n1 d1  n2 d 2
D
kn
с
n1 d1  n2 d 2


c
с
Dn
Спектр отражения электромагнитного излучения от брэгговского отражателя (1я (левая) четверть
рисунка). Профиль поля электромагнитной волны в толще брэгговсого отражателя (вставка).
Дисперсионная зависимость для света в брэгговском отражателе (2я четверть рисунка). Тонкой
линией показана дисперсия свободного фотона. Спектральная зависимость мнимого волнового
вектора в области фотонной запрещенной зоны (3я четверть рисунка). Спектр плотности
фотонных состояний в брэгговском отражателе (4я четверть рисунка)
26
Механизмы распространения света в стандартном
оптоволокне и в световодах на основе фотонных
кристаллов
27
Основные типы волоконно-оптических датчиков
(по построению)
Точечные
Квази-распределенные
Распределенные
28
Распределенные ВО датчики
•
Преимущества
•
Полностью распределенный датчик, позволяющий
фиксировать изменения в любой точке
контролируемого объекта
• Большая длина контролируемого участка при
относительно хорошем пространственном разрешении
(например, по температуре контроль 1 0С
с точностью 1 метр при общей дистанции 10 км!)
• Недостатки
•
Относительно невысокая чувствительность
•
•
Сложность построения для контроля параметров
Высокая стоимость и громоздкость анализирующей
аппаратуры
29
Распределенные ВО датчики
•
Основные области применения
•
Контроль температуры и напряжений
•
датчики магнитного и электрического полей
•
распределенные датчики давления
•
Датчики радиации, счетчики фотонов
•
Химические детекторы (в основном применяются
полимерные волокна).
30
Распределенные ВО датчики
Рэлеевское рассеяние, рефлектометр
(OTDR – optical time domain reflectometer)
Наиболее универсальный из распределенных датчиков
31
Рамановское (комбинационное) рассеяние
32
Распределенные ВО датчики
Рамановский датчик температуры
В схемах оценивается отношение интенствностей стоксовой
и антистоксовой компонент, хотя существуют схемы по
измерению абсолютной величины антистокса
33
Датчики на внутриволоконных решетках
Брэгговские решетки
УФ излучение
диафрагма
Фазовая маска
волокно
-1 порядок
+1 порядок
B  2n
Датчики на внутриволоконных решетках
Брэгговские решетки
35
Области применения высокотемпературного датчика
Инженерные
сооружения
Авиация и
космическая
промышленность
Нефтяная и газовая
проышленность
Высокотемпературный
брэгговский волоконный
датчик
Печи и сушильные
установки
Атомные и тепловые
станции
Турбины и двигатели
36
Волоконно-оптические «нервные»
системы
37
Амплитудный волоконно-оптический
датчик «внешнего» типа
38
Интерференционные ВО датчики
Интерферометр Майкельсона
Интерферометр Маха-Цандера
Интерферометр Фабри-Перо
Эффект Саньяка, интерферометр Саньяка
Кольцевой резонатор
Низкокогерентная интерферометрия
39
Интерференционные ВО датчики
Интерферометр Майкельсона
Интерферометр Маха-Цандера
40
Волоконно-оптические компоненты
41
Сварочный аппарат
42
Оптические разветвители
43
Волоконный лазер
44
Волоконный лазер с двойной
оболочкой
GTWave-технология
45
Упрощенная схема уровней Er3+
46
Уровни Эрбия-Иттербия
47
Спектр усиления тулиевого волокна
48
Висмут как перспективный материал
49