Реферат: Оптические волокна

     Оптическое волокно считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется âîëîêîííîé îïòèêîé.

В настоящее время волоконно-оптические кабели проложены по дну Тихого и Атлантического океанов и практически весь мир "опутан" сетью волоконных систем связи (Laser Mag.-1993.-№3; Laser Focus World.-1992.-28, №12; Telecom. mag.-1993.-№25; AEU: J. Asia Electron. Union.-1992.-№5). Европейские страны через Атлантику связаны волоконными линиями связи с Америкой. США через Гавайские острова и остров Гуам - с Японией, Новой Зеландией и Австралией. В сеть тихоокеанских ВОЛС вошли Тайвань, Гонконг, Малайзия, Сингапур, Филиппины, Бруней, Тайланд, а также Корея и КНР. Волоконно-оптическая линия связи соединяет Японию и Корею с Дальним Востоком России. На западе Россия связана с европейскими странами ВОЛС С.-Петербург - Кингисепп - Дания и С.-Петербург - Выборг - Финляндия, на юге - с азиатскими странами ВОЛС Новороссийск - Турция. В Европе, также, как и в Америке, ВОЛС давно уже нашли самое широкое применение практически во всех сферах связи, энергетики, транспорта, науки, образования, медицины, экономики, обороны, государственно-политической и финансовой деятельности.

Оптическое волокно (ОВ) является средой передачи информации в оптических системах связи. Первое оптическое волокно с потерями 20 дБ/км (на длине волны 0.633 мкм) было изготовлено фирмой Corning Glass Works в 1970 г. Однако прогресс в этой области был настолько стремителен, что уже в 1972 г. потери в ОВ достигли 4 дБ/км, а современные волокна имеют потери менее 0.2 дБ/км (на длине волны 1.55 мкм). Причем столь малые потери сигнала сохраняются в очень широком диапазоне частот модуляции света и уменьшение амплитуды сигнала с ростом частоты модуляции обусловлено дисперсией, которая для современных волокон со смещенной дисперсией составляет величину порядка 3 пс/нм.км. Таким образом, полоса пропускания собственно волокна может превышать 100 ГГц.км. Изначально волокно, получаемое в процессе изготовления, было исключительно хрупким. Для его функционирования в качестве надежного высококачественного компонента системы, волокно не должно иметь изъянов и быть защищенным от механического воздействия. Перед ведущими учеными всего мира в течение многих лет стояла, в качестве основной, сложная задача развития технологии производства для достижения высокой механической прочности, надежности и высококачественных передаточных характеристик оптических волокон. Эти задачи в настоящее время успешно решены. Современное волокно может быть завязано в узел диаметром 5 мм и при этом не разрушается. Технические же характеристики современных ОВ в плане передачи информации настолько высоки, что они находятся вне конкуренции с другими средами передачи данных. Развитие поколений волоконной оптики шло следующим образом: 

Системы первого поколения (1978-1982):

Длина волны 0,85 mм,

Многомодовое градиентное волокно,

AlGaAs/GaAs светодиодный или лазерный передатчик, кремниевый детектор.

Системы второго поколения (1983>):

Длина волны 1,3 mм,

Одномодовое волокно,

InGaAsP/InP лазерный (или светодиодный) передатчик, Ge детектор.

Системы третьего поколения (1989>):

Длина волны 1,3 mм, 1,55 mм,

Одномодовое волокно (также волокно со смещенной дисперсией),

InGaAsP/InP лазерный передатчик, InGaAsP/InP детектор.

.

Среди геометрических параметров ОВ выделяют параметры  кварцевого световода и параметры покрытия. Первые являются наиболее существенными и определяют тип световода. Наиболее важный параметр ОВ - диаметр сердцевины, поскольку геометрические размеры и профиль показателя преломления сердцевины определяют модовый состав ОВ. Под диаметром сердцевины понимают диаметр центральной области ОВ с высоким значением показателя преломления. Под диаметром сердцевины понимают диаметр по уровню 0.1 от максимального значения коэффициента преломления (на оси ОВ). Структура ОВ с указанием типичных параметров показана на рис.4.

Рис.4. Структура оптического волокна

Кроме вышеперечисленных, к геометрическим параметрам относятся: длина волоконного световода, некруглость (овальность) сердцевины (для МОВ), некруглость (овальность) оболочки, неконцентричность (некоаксиальность, концентричность, коаксиальность) сердцевины и оболочки, концентричность (коаксиальность, неконцентричность, некоаксиальность) покрытия.

К оптическим параметрам ОВ отнесем следующие характеристики:

- коэффициент (показатель) преломления сердцевины и оболочки

- разность показателей преломления

- относительная разность показателей преломления

- групповой показатель преломления, эффективный групповой показатель преломления

- профиль показателя преломления

- диаметр модового поля (для ООВ)

- числовая апертура, длина волны среза (для ООВ)

Коэффициент преломления является одной из основных физических характеристик оптических сред и равен корню квадратному из относительной диэлектрической проницаемости среды для электромагнитных волн оптического диапазона. Естественно, показатель преломления зависит от химического состава вещества и имеет различное значение для разных длин волн распространяющегося света. Так для чистого кристаллического кварца в диапазоне длин волн 185 - 3000 нм показатель преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей меняется от1.676 до 1.499 и от1.689 до 1.507 соответственно.

В оптических волокнах применяется плавленый кварц, а необходимый показатель преломления достигается путем легирования кварца. Типичные значения показателя преломления лежат в диапазоне 1.46 - 1.47. При этом отличие показателя преломления сердцевины от показателя преломления оболочки составляет порядка 1% для многомодовых ОВ и менее 0.4% для одномодовых. Общепринятые обозначения для показателя преломления сердцевины - n1, оболочки - n2. Разность показателей преломления сердцевины n1 и оболочки n2 имеет типовое значение порядка 0.01 для МОВ, менее 0.004 для ООВ, обозначается Dn и вычисляется по формуле:

Dn = n1 - n2

где n1 - максимум показателя преломления сердцевины ОВ,
n2 - показатель преломления оболочки.

Под относительной разностью показателей преломления D понимают величину, равную отношению разности показателей преломления сердцевины и оболочки к показателю преломления сердцевины:

D = (n12 - n22)/2n12 » (n1 - n2)/n1

Эффективный групповой показатель преломления. В волоконно-оптических линиях связи передаются импульсные сигналы, обладающие достаточно сложным спектром. При этом каждая волна, соответствующая некоторой спектральной составляющей, движется со своей фазовой скоростью Vф. В результате волновой пакет, или импульс, движется с групповой скоростью Vгр. Для распространения импульса в бесконечной среде с показателем преломления n верны следующие соотношения:

Vф = c/n, (2.5) Vгр = c/nгр , (2.6) nгр = n - l(dn/dl), (2.7)

где l и c - длина волны и скорость света в вакууме,
nгр - групповой показатель преломления,
dn/dl - производная показателя преломления по длине волны света.

Аналогично для световода эффективный групповой показатель преломления вводится как коэффициент, показывающий во сколько раз скорость распространения импульсных сигналов по световоду меньше скорости света в вакууме. При этом групповая скорость для m-й моды ОВ вычисляется как производная угловой частоты света по постоянной распространения m-й моды:

Vгр = dw/dbm = - (2pc/l2) Ч (dl/dbm),

где w - угловая частота света,
bm - постоянная распространения m-й моды.

Первые (многомодовые) ОВ изготавливались с Профилем Показателя Преломления (ППП) в виде ступенчатой функции, показанной на рис.5а). Следующим шагом в развитии технологии производства световодов было изготовление ОВ с градиентным ППП (рис.5б)), обладающих существенно меньшей межмодовой дисперсией и, как следствие, более чем на порядок увеличенной полосой пропускания (десятки МГц/км для ступенчатых МОВ и порядка одного ГГц/км для градиентных МОВ). В градиентных МОВ, также как и в ступенчатых, диаметр сердцевины составляет 50 мкм, однако, показатель преломления изменяется плавно, по закону, близкому к параболическому. Как было показано в многочисленных исследованиях, именно такой ППП обеспечивает минимальное дисперсионное искажение сигнала. Этот факт подробнее будет рассмотрен позже при обсуждении дисперсионных характеристик ОВ.

Ðèñ.5. Ïðîôèëü ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ÌÎÂ ( à), á) ) è ÎÎÂ ( â), ã)).

Среди одномодовых ОВ можно выделить волокна с несмещенной и со смещенной дисперсией, для которых ППП существенно отличается - рис.5в) и рис.5г) соответственно.

Диаметр модового поля.

Радиальная зависимость амплитуды поля фундаментальной моды HE11 (LP01) одномодового ОВ носит плавно спадающий характер и близка к гауссовому закону (рис.6б)). Под диаметром модового поля понимают удвоенное расстояние между точкой на сечении ОВ, в которой амплитуда поля моды максимальна и точкой, в которой амплитуда поля моды меньше максимального значения в е (е = 2.718) раз.

Рис.6. Распределение интенсивности по сечению а) и радиальное распределение поля E б) для мод LP01 и LP11; в) - срез ОВ (соотношение диаметра сердцевины и оболочки не соблюдено).

Погрешность концентричности модового поля определяется как расстояние (на сечении ОВ) между центром модового поля и центром окружности сечения внешней поверхности оболочки ОВ. Погрешность концентричности модового поля измеряется в абсолютных величинах и не должна превышать 1 мкм.

Числовая апертура.

Для многомодовых волокон числовая апертура NA определяется как синус наибольшего угла Jm меридианного луча, который может направляться волокном:

NA = sin Jm

Здесь Jm - угол в свободном пространстве относительно оси ОВ, т.е. угол ввода оптического излучения в ОВ. Меридианный луч - луч, лежащий в плоскости оси ОВ. Числовая апертура может быть рассчитана через показатели преломления сердцевины n1 и оболочки n2:

NA = (n12 - n22)1/2 

     В заключении хотелось бы привести один интересный пример изготовления оптических волокон на основе фотонных кристаллов.

     Создание фотонных кристаллов и оптических волокон («дырчатых» световодов) на их основе является одним из наиболее значительных доствижений оптических технологий последних лет. Это научное направление в настоящее время бурно развивается: в мире стремительно растет число научных групп, занимающихся исследованиями фотонных кристаллов, открываются новые потенциальные области их применения.

В настоящее время известны два типа волоконных световодов со структурой фотонных кристаллов. Это волоконные световоды со сплошной световедущей жилой, о которых упоминалось выше, и волоконные световоды с полой световедущей жилой. В России и те, и другие называются дырчатыми волокнами, хотя на самом деле между ними существует важное различие в механизмах, обеспечивающих волноведущие свойства световодов.

Дырчатый световод со сплошной световедущей жилой представляет собой сердцевину из кварцевого стекла в оболочке из фотонного кристалла (кварцевое стекло с воздушными полостями-каналами), имеющей более низкий средний коэффициент преломления по отношению к жиле. Поэтому волноведущие свойства таких световодов обеспечиваются одновременно двумя эффектами: полного внутреннего отражения, как в обычных световодах, и зонными свойствами фотонного кристалла. Наличие оболочки в виде фотонного кристалла существенно отличает дырчатые волокна от обычных волоконных световодов.

Дырчатые световоды с большим диаметром световедущей жилы также могут использоваться в качестве среды передачи световых потоков высокой интенсивности.

Благодаря своим уникальным дисперсионным свойствам, дырчатые световоды уже находят свое применение в качестве компенсаторов дисперсии в волоконных системах связи. Они достаточно легко и с малыми потерями привариваются к стандартному оптическому волокну и совмещаются с другими элементами волоконно-оптических систем.

В дырчатом волокне с малыми размерами соответствующей жилы снижаются пороги всех нелинейных эффектов, что представляет большой интерес для создания эффективных рамановских лазеров и усилителей, генераторов континуума и оптических переключателей. Очень привлекательной является идея создания генератора суперконтинуума — источника белого света с очень высокой энергетической яркостью. Такие источники могут применяться в DWDM­системах, а также в спектроскопии и метрологии.

Технология изготовления дырчатых волоконных световодов с полой световедущей жилой практически не отличается от технологии аналогичных световодов со сплошной световедущей жилой. Основное отличие этого волокна заключается в том, что световедущая жила представляет собой не кварцевый стержень, а воздушную полость с диаметром, превышающим диаметр d регулярных воздушных каналов в оболочке (рис. 8). Такая структура может направлять излучение видимого и ближнего ИК диапазонов. В этом случае волноводный режим обеспечивается исключительно зонной структурой фотонного кристалла. Свойства дырчатых световодов с полой световедущей жилой (потери, дисперсионные и нелинейные характеристики) изучены недостаточно. Ясно лишь то, что свет в таких световодах, в отличие от стандартных, распространяется преимущественно в полой сердцевине, а не по кварцу. Казалось бы, что потери в таких световодах должны быть очень низкими, так как материальное поглощение и релеевское рассеяние в воздухе ничтожны по сравнению с кварцевым стеклом.

Дырчатые световоды со сплошной световедущей жилой в ближайшие годы могут найти практическое применение в широкополосных волоконно-оптических сетях в качестве среды передачи оптических сигналов и функциональных устройств волоконных сетей связи.

Çàêëþ÷åíèå

     Ìû ðàññìîòðåëè ñòðîåíèå è îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè îïòè÷åñêèõ âîëîêîí. Õîòåëîñü áû äîáàâèòü ÷òî îïòè÷åñêèå âîëîêíà ïðèìåíÿþòñÿ åùå è äëÿ ïîëó÷åíèÿ  âñåâîçìîæíûõ ñâåòîâûõ ýôôåêòîâ â ÷àñòíîñòè: ñâåòîâîå îôîðìëåíèå, äèçàéí, ðåêëàìà. Øèðîêîìó ïðèìåíåíèþ ñïîñîáñòâóåò áåçîïàñíîñòü ïðèìåíåíèÿ ýëåìåíòîâ âîëîêíà. Êðîìå òîãî èõ èñïîëüçóþò â ðàçëè÷íûõ ìåäèöèíñêèõ ïðèáîðàõ òàêèõ êàê çîíäû. Èñïîëüçîâàíèå òàêèõ âîëîêîí ïîçâîëÿåò óëó÷øèòü óãîë çðåíèÿ ïðèáîðà äî 120 ãðàäóñîâ, à óãîë ïîâîðîòà ðàñøèðèòü äî 4-õ íàïðàâëåíèé.

     Åùå îïòè÷åñêîå âîëîêíî øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ ïðè ñîçäàíèè ëîêàëüíûõ âû÷èñëèòåëüíûõ ñåòåé, à â îïòè÷åñêèõ ëèíèÿõ ñâÿçè áëàãîäàðÿ îïòè÷åñêèì âîëîêíàì î÷åíü íèçêèé óðîâåíü øóìîâ, ñîîòâåòñòâåííî âûøå êà÷åñòâî.

     Анализируя вышеизложенные особенности оптических волноводов, мы убедились, что есть основания считать, что Оптическое волокно считается  не только самой совершенной физической средой для передачи информации, но и самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

План

1.  Введение

-  Оптическое волокно, как среда передачи данных.

2.  Конструкция оптического волокна

3.  Параметры оптических волокон:

-  Геометрические

-  Оптические

4.  Заключение:

-  Оптические волокна на основе фотонных кристаллов.

Список использованной литературы:

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.