Черкаський національний університет ім. Богдана Хмельницького

Кафедра Загальної фізики

Використання світловодів

Реферативне повідомлення,

виконане студентом

2-А курсу фізичного факультету

Селегеєм Ярославом Володимировичем

Черкаси-2008

Зміст

Введення

1. Оптичне волокно, як середовище передачі даних.

2. Конструкція оптичного волокна

3. Параметри оптичних волокон

3.1 Геометричні

3.2 Оптичні

4. Використання світловодів.

Список використаної літератури.

Введення

Оптичне волокно вважається самим досконалим фізичним середовищем для передачі інформації, а також самим перспективним середовищем для передачі більших потоків інформації на значні відстані.

Науково-технічний напрямок, що займається розробкою й застосуванням оптичних світоводів, називається волоконна оптика.

У цей час волоконно-оптичні кабелі прокладені по дну Тихого й Атлантичного океанів і практично увесь світ "обплутаний" мережею волоконних систем зв'язку (Laser Mag.-1993.-№3; Laser Focus World.-1992.-28, №12; Telecom. mag.-1993.-№25; AEU: J. Asia Electron. Union.-1992.-№5). Європейські країни через Атлантику зв'язані волоконними лініями зв'язку з Америкою. США через Гавайські острови й острів Гуам - з Японією, Новою Зеландією й Австралією. У мережу тихоокеанських ВОЛС увійшли Тайвань, Гонконг, Малайзия, Сінгапур, Філіппіни, Бруней, Тайланд, а також Корея й КНР. Волоконно-оптична лінія зв'язку з'єднує Японію й Корею з Далеким Сходом Росії. На заході Росія пов'язана з європейськими країнами ВОЛС С.-Петербург - Кінгісепп - Данія й С.-Петербург - Виборг - Фінляндія, на півдні - з азіатськими країнами ВОЛС Новоросійськ - Туреччина. У Європі, також, як й в Америці, ВОЛС давно вже знайшли саме широке застосування практично у всіх сферах зв'язку, енергетики, транспорту, науки, утворення, медицини, економіки, оборони, державно-політичної й фінансової діяльності.

1. Оптичне волокно як середовище передачі даних

Оптичне волокно (ОВ) є середовищем передачі інформації в оптичних системах зв'язку. Перше оптичне волокно із втратами 20 дБ/км (на довжині хвилі 0.633 мкм) було виготовлено фірмою Corning Glass Works в 1970 р. Однак прогрес у цій області був настільки стрімкий, що вже в 1972 р. втрати в ОВ досягли 4 дБ/км, а сучасні волокна мають втрати менш 0.2 дБ/км (на довжині хвилі 1.55 мкм). Причому настільки малі втрати сигналу зберігаються в дуже широкому діапазоні частот модуляції світла й зменшення амплітуди сигналу з ростом частоти модуляції обумовлено дисперсією, що для сучасних волокон зі зміщеною дисперсією становить величину порядку 3 пс/нм. км. Таким чином, смуга пропущення властиво волокна може перевищувати 100 Ггц. км. Споконвічне волокно, одержуване в процесі виготовлення, було винятково тендітним. Для його функціонування в якості надійного високоякісного компонента системи, волокно не повинне мати вад і бути захищеним від механічного впливу. Перед провідними вченими всього світу протягом багатьох років стояла, у якості основної, складна задача розвитку технології виробництва для досягнення високої механічної міцності, надійності й високоякісних передатних характеристик оптичних волокон. Ці завдання в цей час успішно вирішені. Сучасне волокно може бути зав'язане у вузол діаметром 5 мм і при цьому не руйнується. Технічної ж характеристики сучасних ОВ у плані передачі інформації настільки високі, що вони перебувають поза конкуренцією з іншими середовищами передачі даних. Розвиток поколінь волоконної оптики йшло в такий спосіб:

Системи першого покоління (1978-1982):

Довжина хвилі 0,85 мм,

Многомодове градієнтне волокно,

AlGaAs/GaAs світлодіодний або лазерний передавач, кремнієвий детектор.

Системи другого покоління (1983>):

Довжина хвилі 1,3 мм,

Одномодове волокно,

InGaAs/In лазерний (або світодіодний) передавач, Ge детектор.

Системи третього покоління (1989>):

Довжина хвилі 1,3 мм, 1,55 мм,

Одномодове волокно (також волокно зі зміщеною дисперсією),

InGaAs/In лазерний передавач, InGaAs/In детектор.

Будова світловода:

1. Осьовий елемент: сталевий канат у полімерному покритті; склопластиковий пруток у полімерному покритті

2. Оптичні волокна

3. Оптичні модулі

4. Гідроізоляція сердечника гідрофобний заповнювач або водобокуючі елементи

5. Гідроізоляція бронюючого шару гідрофобний заповнювач або водоблокуючі елементи

6. Сталева гофрована ламінована стрічка.

2. Конструкція оптичного волокна

Оптичне волокно складається зі светоловедучої серцевини, оточеною оболонкою, у яких різні показники заломлення.

Обидва елементи виробляються з високочистого кварцового скла. Отримане в процесі витяжки оптичне волокно потім покривається одним або двома шарами захисного пластикового покриття, розповсюдженим матеріалом для якого є акрилат. Від покриття залежить міцність волокна. В основі поширення світла по сердечнику лежить принцип повного внутрішнього відбиття, що реалізується за рахунок того, що коефіцієнт заломлення сердечника вище коефіцієнта заломлення оболонки. На вході волоконно-оптичного тракту модулююче джерело світла перетворить вхідні електричні сигнали в модульовані (як правило по інтенсивності) світло, що поширюється по волокну, пов'язаному із джерелом. На іншому, приймаючому кінці лінії оптичні сигнали перетворяться фотодетектором назад в електричні сигнали. На лініях великої довжини іноді використаються регенератори, що складаються із приймача, підсилювача й передавача. У сучасних Волоконно Оптичних Лініях Зв'язку також знаходять застосування оптичні підсилювачі. Оптичне волокно являє собою циліндр із легованого кварцового скла. Для передачі сигналів використаються два види волокна: одномодове й многомодове. Назва волокна одержали від способу поширення випромінювання в них. В одномодовому волокні діаметр світовідної жили порядку 8-10мкм, тобто зрівняємо з довжиною світлової хвилі. При такій геометрії у волокні може поширюватися тільки один промінь (одна мода) (мал.1).

Рис.1

У багатомодовому волокні розмір світловідної жили порядку 50-60мкм, що уможливлює поширення великої кількості променів (багато мод) (мал.2).

Рис.2

Обидва типи волокна характеризуються двома найважливішими параметрами: згасанням і дисперсією. Загасання звичайно виміряється в дб/км і визначається втратами на поглинання й на розсіювання випромінювання в оптичному волокні. Втрати на поглинання залежать від чистоти матеріалу, а на розсіювання - від неоднорідностей показника заломлення матеріалу.

Рис.3

Інший найважливіший параметр оптичного волокна - дисперсія. Дисперсія - це розсіювання в часі спекртальных і модових складових оптичного сигналу. Існує три типи дисперсії:

модова дисперсія – властива багатомодовому волокну й обумовлена великою кількістю числа мод, час поширення яких різний.

матеріальна дисперсія – обумовлена залежністю показника заломлення від довжини хвилі.

хвильова дисперсія – обумовлена процесами усередині моди й характеризується залежністю швидкості поширення моди від довжини хвилі.

Згасання й дисперсія в різних типах оптичних волокон різні, Одномодові волокна мають кращі характеристики по згасанню й по смузі пропускання, тому що в них поширюється тільки один промінь. Однак, одномодові джерела випромінювання в кілька разів дорожче багатомодових. В одномодове волокно важче ввести випромінювання через малі розміри световодной жили, із цієї причини одномодові волокна складно зрощувати з малими втратами.

Оскільки світлодіод або лазер випромінює деякий спектр довжин хвиль, дисперсія приводить до розширення імпульсів при поширенню по волокну й тим самим породжує перекручування сигналів. При оцінці користуються терміном "смуга пропущення" - це величина, зворотна до величини розширення імпульсу при проходженні ним по оптичному волокну відстані в 1 км. Виміряється смуга пропущення в МГц*км. З визначення смуги пропущення видно, що дисперсія накладає обмеження на дальність передачі й на верхню частоту переданих сигналів.

Якщо при поширенні світла по багатомодовому волокну як правило переважає модовая дисперсія, то одномодовому волокну властиві тільки два останніх типи дисперсії. На довжині хвилі 1.3 мкм матеріальна й хвильова дисперсії в одномодовому волокні компенсують один одного, що забезпечує найвищу пропускну здатність.

Загасання й дисперсія в різних типів оптичних волокон різні. Одномодові волокна мають кращі характеристики по загасанню й по смузі пропущення, тому що в них поширюється тільки один промінь. Однак, одномодові джерела випромінювання в кілька разів дорожче багатомодових. В одномодовое волокно важче ввести випромінювання через малі розміри світловідної жили, по цій же причині одномодові волокна складно зрощувати з малими втратами. Оконцевание одномодових кабелів оптичними розніманнями також обходиться дорожче.

Багатомодові волокна більше зручні при монтажі, тому що в них розмір световодной жили в кілька разів більше, ніж в одномодових волокнах. Многомодовий кабель простіше оконцевать оптичними розніманнями з малими втратами (до 0.3 d) у стику. На многомодовое волокно розраховані випромінювачі на довжину хвилі 0.85 мкм - самі доступні й дешеві випромінювачі, що випускають у дуже різноманітному асортименті. Але загасання на цій довжині хвилі в багатомодових волокон перебуває в межах 3-4 Дб/км і не може бути істотно поліпшено. Смуга пропущення в багатомодових волокон досягає 800 Мгц*км, що прийнятно для локальних мереж зв'язку, але не досить для магістральних ліній.

3. Параметри оптичних волокон

3.1 Геометричні параметри оптичних волокон

Серед геометричних параметрів ОВ виділяють параметри кварцового світловода й параметри покриття. Перші є найбільш істотними й визначають тип світловода. Найбільш важливий параметр ОВ - діаметр серцевини, оскільки геометричні розміри й профіль показника заломлення серцевини визначають модовий сполука ОВ. Під діаметром серцевини розуміють діаметр центральної області ОВ з високим значенням показника заломлення. Під діаметром серцевини розуміють діаметр за рівнем 0.1 від максимального значення коефіцієнта заломлення (на осі ОВ). Структура ОВ із вказівкою типових параметрів показана на мал.4.

Рис.4. Структура оптичного волокна

Крім перерахованих вище, до геометричних параметрів ставляться: довжина волоконного світловода, некруглість (овальність) серцевини (для МОВ), некруглість (овальність) оболонки, неконцентричність (некоаксиальність, концентричність, коаксиальність) серцевини й оболонки, концентричність (коаксиальність, неконцентричність, некоаксиальність) покриття.

3.2 Оптичні параметри волокон

До оптичних параметрів ОВ віднесемо наступні характеристики:

- коефіцієнт (показник) заломлення серцевини й оболонки

- різниця показників заломлення

- відносна різниця показників заломлення

- груповий показник заломлення, ефективний груповий показник заломлення

- профіль показника заломлення

- діаметр модового поля (для ООВ)

- числова апертура, довжина хвилі зрізу (для ООВ)

Коефіцієнт заломлення є однієї з основних фізичних характеристик оптичних середовищ і дорівнює кореню квадратному з відносної діелектричної проникності середовища для електромагнітних хвиль оптичного діапазону. Природно, показник заломлення залежить від хімічного складу речовини й має різне значення для різних довжин хвиль світла, що поширюється. Так для чистого кристалічного кварцу в діапазоні довжин хвиль 185 - 3000 нм показник заломлення для звичайного й незвичайного променів міняється від1.676 до 1.499 і від1.689 до 1.507 відповідно.

В оптичних волокнах застосовується плавлений кварц, а необхідний показник заломлення досягається шляхом легування кварцу. Типові значення показника заломлення лежать у діапазоні 1.46 - 1.47. При цьому відмінність показника заломлення серцевини від показника заломлення оболонки становить порядку 1% для багатомодових ОВ і менш 0.4% для одномодових. Загальноприйняті позначення для показника заломлення серцевини - n1, оболонки - n2. Різниця показників заломлення серцевини n1 й оболонки n2 має типове значення порядку 0.01 для МОВ, менш 0.004 для ООВ, позначається Dn й обчислюється по формулі:

Dn = n1 - n2

де n1 - максимум показника заломлення серцевини ОВ, n2 - показник заломлення оболонки.

Під відносною різницею показників заломлення D розуміють величину, рівну відношенню різниці показників заломлення серцевини й оболонки до показника заломлення серцевини:

D = (n12 - n22)/2n12 » (n1 - n2)/n1

Ефективний груповий показник заломлення. У волоконно-оптичних лініях зв'язку передаються імпульсні сигнали, що володіють досить складним спектром. При цьому кожна хвиля, що відповідає певній спектральній складовії, рухається зі своєю фазовою швидкістю Vф. У результаті хвильовий пакет, або імпульс, рухається із груповою швидкістю Vгр. Для поширення імпульсу в нескінченному середовищі з показником заломлення n вірні наступні співвідношення:

Vф = c/n, (2.5)

Vгр = c/nгр , (2.6)

nгр = n - λ(dn/d λ), (2.7)

де λ й c - довжина хвилі й швидкість світла у вакуумі,

nгр - груповий показник заломлення,

dn/d λ - похідна показника заломлення по довжині хвилі світла.

Аналогічно для світловода ефективний груповий показник заломлення вводиться як коефіцієнт, що показує в скільки разів швидкість поширення імпульсних сигналів по світловоду менше швидкості світла у вакуумі. При цьому групова швидкість для m-й моди ОВ обчислюється як похідна кутової частоти світла по постійної поширення m-й моди:

Vгр = dw/dbm = - (2pc/ λ 2) Ч (d λ /dbm),

де w - кутова частота світла,

bm - постійна поширення m-й моди.

Перші (багатомодові) ОВ виготовлялися із Профілем Показника Заломлення (ППП) у вигляді східчастої функції, показаної на мал. 5а). Наступним кроком у розвитку технології виробництва світловодів було виготовлення ОВ із градієнтним ППП (мал.5б)), що володіють істотно меншою міжмодовою дисперсією й, як наслідок, більш ніж на порядок збільшеною смугою пропущення (десятки Мгц/км для східчастих БОВ і порядку одного Ггц/км для градієнтних БОВ). У градієнтних БОВ, також як й у східчастих, діаметр серцевини становить 50 мкм, однак, показник заломлення змінюється плавно, за законом, близькому до параболічного. Як було показано в численних дослідженнях, саме такий ППП забезпечує мінімальне дисперсійне перекручування сигналу. Цей факт докладніше буде розглянутий пізніше під час обговорення дисперсійних характеристик ОВ.

Рис1.Профіль показника заломлення.

Серед одномодових ОВ можна виділити волокна з незміщеною й зі зміщеною дисперсією, для яких ППП істотно відрізняється - мал.5в) і мал.5г) відповідно.

Діаметр модового поля.

Радіальна залежність амплітуди поля фундаментальної моди HE11 (LP01) одномодового ОВ носить плавно спадаючий характер і близька до гауссового закону (мал.6б)). Під діаметром модового поля розуміють подвоєну відстань між точкою на перетині ОВ, у якій амплітуда поля моди максимальна й точкою, у якій амплітуда поля моди менше максимального значення в е (е = 2.718) разів.

Рис.6. Розподіл інтенсивності по перетині а) і радіальний розподіл поля E б) для мод LP01 й LP11; в) - зріз ОВ (співвідношення діаметра серцевини й оболонки не дотримана).

Погрішність концентричності модового поля визначається як відстань (на перетині ОВ) між центром модового поля й центром окружності перетину зовнішньої поверхні оболонки ОВ. Погрішність концентричності модового поля виміряється в абсолютних величинах і не повинна перевищувати 1 мкм.

Числова апертура.

Для багатомодових волокон числова апертура NA визначається як синус найбільшого кута Jm меридіанного променя, що може направлятися волокном:

NA = sin Jm

Тут Jm - кут у вільному просторі щодо осі ОВ, тобто кут уведення оптичного випромінювання в ОВ. Меридіанний промінь - промінь, що лежить у площині осі ОВ. Числова апертура може бути розрахована через показники заломлення серцевини n1 й оболонки n2:

NA = (n12 - n22)1/2

У висновку хотілося б привести один цікавий приклад виготовлення оптичних волокон на основі фотонних кристалів.

Створення фотонних кристалів й оптичних волокон («дірчастих» свіетловодів) на їхній основі є одним з найбільш значних досягнень оптичних технологій останніх років. Це науковий напрямок у цей час бурхливо розвивається: у світі стрімко росте число наукових груп, що займаються дослідженнями фотонних кристалів, відкриваються нові потенційні області їхнього застосування.

У цей час відомі два типи волоконних світоводів зі структурою фотонних кристалів. Ці волоконні світловоди із суцільною світловедучою жилою, про які згадувалося вище, і волоконні світловоди з полою світловедучою жилою. У Росії й ті, і інші називаються дірчастими волокнами, хоча насправді між ними існує важлива різниця в механізмах, що забезпечують хвилеведучі властивості світловодів.

Дірчастий светловод із суцільною світловедучою жилою являє собою серцевину із кварцового скла в оболонці з фотонного кристала (кварцове скло з повітряними порожнинами-каналами), що має більш низький середній коефіцієнт заломлення стосовно жили. Тому хвилеведучі властивості таких світоводів забезпечуються одночасно двома ефектами: повного внутрішнього відбиття, як у звичайних світловодах, і зонними властивостями фотонного кристала. Наявність оболонки у вигляді фотонного кристала істотно відрізняє дірчасті волокна від звичайних волоконних світоводів.

Рис. 7. Поперечний переріз дірчастого волокна із суцільною хвилеведучою жилою в центрі

Рис. 8. Поперечний переріз дірчастого волокна з полою хвилеведучою жилою

Дірчасті світловоди з більшим діаметром хвилеведучої жили також можуть використовуватись як середовище передачі світлових потоків високої інтенсивності.

Завдяки своїм унікальним дисперсійним властивостям, дірчасті світловоди вже знаходять своє застосування як компенсатори дисперсії у волоконних системах зв'язку. Вони досить легко й з малими втратами приварюються до стандартного оптичного волокна й сполучаються з іншими елементами волоконно-оптичних систем.

У дірчастому волокні з малими розмірами відповідної жили знижуються пороги всіх нелінійних ефектів, що становить великий інтерес для створення ефективних рамановских лазерів і підсилювачів, генераторів континуума й оптичних перемикачів. Дуже привабливої є ідея створення генератора суперконтинуума - джерела білого світла з дуже високою енергетичною яскравістю. Такі джерела можуть застосовуватися в DWDM системах, а також у спектроскопії й метрології.

Технологія виготовлення дірчастих волоконних світоводів з полою хвилеведучою жилою практично не відрізняється від технології аналогічних світловодів із суцільною хвилеведучою жилою. Основна відмінність цього волокна полягає в тім, що світловедуча жила являє собою не кварцовий стержень, а повітряну порожнину з діаметром, що перевищує діаметр d регулярних повітряних каналів в оболонці (мал. 8). Така структура може направляти випромінювання видимого й ближнього ИЧ діапазонів. У цьому випадку хвилевідний режим забезпечується винятково зонною структурою фотонного кристала. Властивості дірчастих світловодів з полою хвилеведучою жилою (втрати, дисперсійні й нелінійні характеристики) вивчені недостатньо. Ясно лише те, що світло в таких світловодах, на відміну від стандартних, поширюється переважно в порожній серцевині, а не по кварці. Здавалося б, що втрати в таких світловодах повинні бути дуже низькими, тому що матеріальне поглинання й релеєвське розсіювання в повітрі незначні в порівнянні із кварцовим склом.

Дірчасті світловоди із суцільною хвилеведучою жилою в найближчі роки можуть знайти практичне застосування в широкополосних волоконно-оптичних мережах як середовище передачі оптичних сигналів і функціональних пристроїв волоконних мереж зв'язку.

4. Використання світловодів

Оптоволокна використовуються в оптоволоконному зв'язку, який дозволяє передавати цифрову інформацію на великі відстані і з високою швидкістю передачі даних, ніж в електронних засобах зв'язку.

Оптоволокно може бути використане як засіб для телекомунікації і побудови комп'ютерної мережі, унаслідок своєї гнучкості і можливості зав'язуватися у вузол як кабель. Не зважаючи на те, що волокна можуть бути зроблені з прозорого пластичного оптоволокна або волокна силікагелевого, волокна, що використовуються для передачі інформації на великі відстані, завжди зроблені зі скла, внаслідок низького оптичного ослаблення електромагнітного випромінювання. У зв'язку використовуються багатомодові і одномодові оптоволокна; мультимодове оптоволокно зазвичай використовується на невеликих відстанях (до 500 м), а одномодове оптоволокно — на довгих дистанціях. У зв'язку із суворим допуском між одномодовим оптоволокном, передавачем, приймачем, підсилювачем і іншими одномодовими компонентами, їх використання звичайно дорожче, ніж застосування мультимодових компонент.

Оптоволокна широко використовуються для освітлення. Вони використовуються як світлопроводи в медичних і інших цілях, де яскраве світло необхідно доставити в важкодоступну зону. У деяких будівлях оптоволокна використовуються для позначення маршруту з даху в яку-небудь частину будівлі. Оптоволоконне освітлення також використовується в декоративних цілях, включаючи комерційну рекламу, мистецтво і штучні ялинки.

Оптоволокно також використовується для формування зображення. Когерентний пучок, що створюється оптоволокном, іноді використовується спільно з лінзами — наприклад, в ендоскопі, який використовується для проглядання об'єктів через маленький отвір.

Використана література

1. «Волоконно-оптические системы» Справочник под ред. Гроднева И.И. 1993 г.

2. «Волоконно-оптические линии связи» Справочник под ред. Свечникова С.В., 1999 г.

3. «Фотонные кристаллы и оптические волокна на их основе» Фотон-Экспресс Потапов В.Т. 2003г.