1 2 3 Введение Волоконная оптика Волоконные световоды

1. 2. 3. Введение. Волоконная оптика. Волоконные световоды и устройства на их основе.

ВОЛКОННАЯ ОПТИКА Волоконная оптика – область науки и техники, которая занимается изучением явлений, возникающих при распространении света в волоконных световодах; применением волоконных световодов и технологией их изготовления. Защитное покрытие n 1>n 2 Сердцевина, n 1 Оболочка, n 2 Сердцевина и оболочка образуют волноводную структуру, а внешнее покрытие предохраняет световод от внешних воздействий. Рис. 1. Структура волоконного световода.

СТРУКТУРА ВОЛОКОННОГО СВЕТОВОДА Структура волоконного световода может быть: • ступенчатой (а, б) nc а n 0 nзп • nc nc б 62, 5 R, мкм в n 0 nзп 5 градиентной (в) 25 62, 5 R, мкм В градиентных световодах, профиль изменения показателя преломления обычно близок к параболическому, характеризующемуся соотношением , где радиус сердцевины волокна • • Показатель преломления сердцевины больше показателя преломления оболочки примерно на 1%. Допуски на отклонение диаметра и несоосность сердцевины не превышают 1 мкм.

ВОЛКОННАЯ ОПТИКА Закон Снеллиуса n 1 > n 2 1 n 2 2 3 3 2 1 n 1 При углах падения θ > θc наблюдается полное внутреннее отражение Рис. 2. Явление полного внутреннего отражения.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЛОКОННОГО СВЕТОВОДА В зависимости от типа волоконного световода диаметр сердцевины может составлять от 1 до 100 мкм, диаметр оболочки от 100 мкм до 1000 мкм. Для световодов, используемых в оптических линиях связи: диаметр сердцевины ~ 10 мкм, диаметр оболочки ~ 125 мкм. - диаметр сердцевины - диаметр оболочки - числовая апертура - оптические потери - максимальный угол между лучом, введенным в световод и осью световода. 1 см-1 = 4, 3 · 105 д. Б/ м L ~ несколько километров

ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ n 2 C` θc A A` φm αm B B` n 1 C n 1 > n 2 - число направляемых мод для ступенчатого световода - одномодовые световоды - многомодовые световоды

ВОЛНОВОДНЫЕ СВОЙСТВА ВОЛОКОННОГО СВЕТОВОДА Волноводные свойства волоконного световода зависят: - от параметров волоконного световода, - от длины волны распространяющегося излучения - нормированная частота частоты определяет модовый Значение нормированной состав излучения в световоде. Мода – это устойчивое состояние электромагнитного поля внутри световода, одно из решений уравнений Максвелла для заданной структуры. Моду световода можно определить и как траекторию распространения света. в световоде распространяется лишь одна мода. Световоды, в которых реализуется такой режим в ближней ИК – области определяются как одномодовые. появляются моды более высоких порядков. Число мод при большом значении нормированной частоты порядка.

ПОТЕРИ МОЩНОСТИ ПРОХОДЯЩЕГО ПО СВЕТОВОДУ ИЗЛУЧЕНИЯ • • • Рассеяние света на субмикроскопически малых, значительно меньших по своим размерам, чем длина волны излучения, оптических неоднородностях материала световода. Такие потери именуются Рэлеевскими, так как их величина обратно пропорциональна λ 4. Поглощение и рассеяние света содержащимися в материале световода ионами некоторых примесей. Нежелательные изменения модовой структуры излучения, распространяющегося по световоду. Например, преобразование направляемых мод в моды оболочки и рассеяние света из-за изгибов, микроизгибов; различных дефектов и микроскопически малых неоднородностей в сердцевине световода. К материалам для световодов предъявляются следующие требования: - наибольшая прозрачность для излучения в требуемом диапазоне; высокая стойкость против изменений структуры и свойств со временем; высокая сопротивляемость влияния внешних воздействий.

ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ 1. Технология «штабик-трубка» n 2 n 1 > n 2 n 1 штабик трубка 2. Технологии, основанные на осаждении из газовой фазы Исходные компоненты: хлорид кремния Si. Cl 4 хлорид германия Ge. Cl 4 и другие. Образование стеклообразных оксидов в атмосфере кислорода при повышенной температуре по реакции Si. Cl 4 + О 2 = Si. O 2 +2 Cl 2. опорная труба осажденный слой O 2 Ge. Cl 4 Si. Cl 4 Cl 2 горелки Схема одной из распространенных технологий – модифицированного химического осаждения из газовой фазы ( MCVD - процесс).

ВЫТЯЖКА ИЗ ЗАГОТОВКИ ВОЛОКОННОГО СВЕТОВОДА заготовка печь Схема вытяжной башни для изготовления волоконного световода. световод кювета с полимером покрытый световод приемный барабан Стандартные волоконные световоды способны выдерживать нагрузку до 5 кг.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ 1. Телекоммуникационные волоконные световоды. • Используются в качестве передающей среды как в магистральнных, так и распределенных системах связи. Получены волокна с уровнем потерь, близким к теоретическому пределу (для кварцевых волоконных световодов – около 0, 15 д. Б/км на длине волны 1, 55 мкм). К настоящему времени волоконная оптика позволяет передавать любые реально необходимые потоки информации. • • 2. Активные волоконные световоды. • Волоконные световоды данного типа позволяют за счет введения в их сердцевину (а иногда и в оболочку) редкоземельных ионов реализовать усиление или генерацию оптических сигналов. Успешно реализованы несколько технологий активирования волоконных световодов (метод пропитки, осаждения из газовой среды, аэрозольный метод). К настоящему времени достигнут высокий уровень параметров активных волоконных световодов, обеспечивающий их широкое практическое применение в оптических усилителях-рестансляторах в магистральных системах связи, а также в разнообразных волоконных лазерах. • •

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ 3. Поляризационные волоконные световоды. • Позволяют сохранять состояние поляризации света на выходе волокна. • Наиболее распространенным типом таких волокон являются волоконные световоды с высоким линейным внутренним двулучепреломлением на уровне 10 -4 или больше. • Области применения – волоконные оптические гироскопы и другие волоконные устройства с линейным состоянием поляризации на выходе. 4. Микроструктурированные волоконные световоды (МВС). • В литературе такие световоды часто называют также фотоннокристаллическими или «дырчатыми» оптическими волокнами. • МВС – волоконные световоды с периодическим изменением диэлектрической проницаемости или коэффициента преломления в волноведущей среде. Отличительные особенности МВС: - широкий одномодовый диапазон; - уникальные дисперсионные характеристики и их сильная зависимость от геометрических параметров волокна; - увеличенное двулучепреломление по сравнению с обычным, поддерживающим поляризацию волокном; - идея МВС заключается в создании периодической структуры в сечении волоконного световода.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ 4. Микроструктурированные волоконные световоды (МВС). Технология изготовления: 1. Сборка кварцевых капилляров и их последующая перетяжка в волокно: а – центральный канал в виде воздушной дырки, б – центральный канал выполнен из кварцевого стержня. а б В обоих случаях производится двухступенчатая перетяжка заготовки, в процессе которой все размеры уменьшаются примерно в 10 000 раз. Параметры первых МВС (1995 год): - длина 100 м, - диаметр полых каналов, проходящих по всей длине волокна 0, 3 мкм, - расстояние между центрами каналов 23 мкм. 2. В кварцевом стержне сверлятся отверстия, а потом производится вытяжка. Вытяжка выполняется в несколько этапов, так как исходные капилляры с диаметром порядка 1 мм должны быть перетянуты примерно до 1 мкм.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ 4. Микроструктурированные волоконные световоды (МВС). Основные особенности волноведущих свойств МВС. 1. МВС со сложной световедущей сердцевиной. Он представляет собой сердцевину из кварцевого стекла с воздушными полостями - каналами, имеющий более низкий средний коэффициент преломления по отношению к сердцевине. • • • Волноведущие свойства таких световодов обеспечиваются одновременно двумя эффектами: полного внутреннего отражения, как в обычных световодах; зонными свойствами фотонного кристалла. Количество направленных мод в сплошной световедущей жиле такого волокна определяется только величиной отношения диаметра d воздушных каналов к расстоянию между их осями А. При этом для случая d/A ~ 0, 2 дырчатые световоды являются одномодовыми во всем спектральном диапазоне прозрачности кварца. Наличие полостей в оболочке позволяет более чем на порядок увеличить разность показателей преломления световедущей жилы и оболочки по сравнению со стандартным волокном. Дисперсионные свойства МВС зависят от размеров воздушных каналов и их взаимного расположения.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ 4. Микроструктурированные волоконные световоды (МВС). • • Основные особенности волноведущих свойств МВС: Одинаково изменяя все геометрические размеры структуры дырчатого волокна (при условии сохранения соотношения между ними), можно получить в волокне одномодовый режим распространения как с малой, так и с большой эффективной площадью поперечного сечения моды. То есть, можно создавать дырчатые волокна с диаметром световедущей жилы, многократно превышающим или, наоборот, уменьшенным по сравнению с диаметром световедущей жилы стандартного одномодового волокна, при этом в нем будет сохраняться одномодовый режим распространения света. Большой размер световедущей жилы позволяет снизить влияние нелинейных эффектов на форму распространяющихся по волокну импульсов света и, наоборот, при малых размерах моды роль нелинейных эффектов заметно увеличивается по сравнению со стандартными световодами.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ 4. Микроструктурные волоконные световоды (МВС). Значения потерь при распространении света в дырчатых волоконных световодах приближаются к потерям, имеющим место стандартных одномодовых волокнах. Эти потери (0, 58 д. Б/км на длине волны 1, 55 мкм) включают в себя три составляющих: 1) Потери вследствие релеевского рассеяния света в световедущей жиле. Величина потерь в данном волокне в два раза выше величины аналогичных потерь в стандартном одномодовом волокне вследствие случайных неоднородных напряжений, возникающих на границе световедущей жилы в процессе вытяжки волокна. 2) Потери, вызванные разбросом геометрических параметров самих воздушных каналов: - флуктуациями их диаметра, - нерегулярностью их расположения. Эти потери присущи только данному типу волокна. 3) Потери, вызванные примесным поглощением ионами металлов и гидроксильной группы, такие же, что и в стандартных одномодовых световодах.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ 4. Микроструктурные волоконные световоды (МВС). Дырчатые волоконные световоды с полой световедущей жилой. • Основное отличие этого волокна заключается в том, что световедущая жила представляет собой не кварцевый стержень, а воздушную полость с диаметром А, превышающим диаметр d регулярных воздушных каналов в оболочке. A d • • Такая структура может направлять излучение видимого и ближнего ИК диапазонов, когда соотношение d/A ~ 0, 3. Свет в таких световодах, в отличии от стандартных, распространяется преимущественно в полой сердцевине, а не по кварцу. Потери в таких световодах ~ 13 д. Б/км для длины волны 1, 5 мкм. Потери в таких световодах определяются не рассеянием и поглощением, а конечной отражающей способностью периодической структурой оболочки в поперечном направлении. А она, в свою очередь, определяется совершенством периодической структуры, протяженностью в радиальном направлении и строгостью соблюдения условия равенства периода структуры целому числу полуволн излучения.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ Световоды с "воздушной" оболочкой

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ Световоды с "подвешенной" сердцевиной

Оптические потери, д. Б/км ВОЛОКОННО- ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ (ВОЛС) 2 1 0 0. 9 1. 1 1. 5 1. 3 1. 7 Фундаментальный предел оптических потерь в волокне – 0, 16 д. Б/ км на длине волны 1, 55 мкм. Это соответствует ослаблению света в 2 раза на расстоянии 18 км. Длина волны, мкм Усилители Лазерный диод (1, 5 мкм) Фотоприемник 10 – 40 Гбит/с Усилители Схема одноволновой ВОЛС λ 1 λ 2 λn Мультиплексор Фотоприемники 1 – 10 Tбит/с λn Демультиплексор Схема ВОЛС со спектральным уплотнением каналов

ВОЛОКОННО- ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП (ВОГ) • Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) – оптический прибор для измерения угловой скорости, который является структурным элементом инерционной навигационной системы, отрабатывающей информацию о местонахождении самолета или судна с целью выведения его на курс. ВОГ представляет собой волоконный интерферометр Саньяка и обладает высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном, малым временем готовности и низким энергопотреблением. • По замкнутому оптическому пути, благодаря Рис. Принцип возникновения эффекта Саньяка. расщеплению луча, свет распространяется в двух противоположных направлениях. • Если система находится в покое относительно инерционного пространства, то оба световых луча распространяются встречно по оптическим путям одинаковой длины. Поэтому при сложении встречно распространяющихся лучей по завершении обхода контура между ними отсутствует фазовый сдвиг. • В случае вращения оптической системы в инерциальном пространстве с угловой скоростью Ω, между световыми волнами возникает разность фаз φs. Это явление и называется эффектом Саньяка.

ВОЛОКОННО- ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП (ВОГ) • При радиусе оптического пути времядостижениярасщепителялучей светом, движущимся по часовой стрелке, выражается как: В противоположном направлении – • • где - скорость света. Из (1) и (2) разность времени распространения двух световых волн с учетом Это означает появление разности длины оптических путей или, разности фаз • Здесь - площадь, окаймленная оптическим путем; - волновое число. Формула (5) является основной для эффекта Саньяка. Она не зависит от формы оптического пути, положения центра вращения и коэффициента преломления.

ВОЛОКОННО- ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП (ВОГ) Рис. Оптическая схема волоконно-оптического гироскопа: 1 - источник излучения, 2 - интегрально оптический фазовый модулятор, 3 – волоконная катушка, 4 – разветвитель, 5 – фотоприемник. • ВОГ – это интерферометр Саньяка, в котором круговой оптический контур заменен на катушку из длинного одномодового оптического волокна. где • Рис. Внешний вид сборки 3–х ВОГ – трехосного измерителя угловых скоростей - число витков в катушке из волокна; - длина волокна; - радиус катушки. Чтобы не повредить волокно, намотка производится на катушку радиусом несколько сантиметров (2…. 5 см). • Сформировав оптимальную оптическую систему, можно измерить с высокой точностью фазу (порядка 10 -6 рад), а затем из формулы (6) определить угловую скорость. Все это и составляет принцип работы волоконно – оптического гироскопа. • Пределы обнаружения угловой скорости для ВОГ 10 -7 рад/с (0, 01 0/час).

ДАТЧИКИ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА ОСНОВЕ ВБР В настоящее время ВБР рассматриваются как один из наиболее перспективных сенсорных элементов волоконнооптических датчиков физических величин. Основа использования ВБР в n 2 качестве сенсорных элементов датчиков физических величин : Брэгговская волоконная решетка n 1 • • изменение длины волны отражения решетки при изменении температуры волоконного световода; изменение длины волны отражения решетки под воздействием механических напряжений и деформаций световода. Преимущества: • • • защищенность от воздействия электромагнитных полей; высокая чувствительность; надежность; воспроизводимость; широкий динамический диапазон измерений; возможность спектрального и пространственного мультиплексирования чувствительных элементов, расположенных в одном или в нескольких ВС; значительное расстояние до места проведения измерений; высокая коррозиционная и радиационная стойкость; малые габариты и вес.

ДАТЧИКИ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА ОСНОВЕ ВБР Способы измерения смещения λБ: • Измерение спектра пропускания (отражения) с помощью широкополосного источника излучения и анализатора спектра. • Преобразование спектрального смещения решетки в изменение интенсивности оптического сигнала, попадающего на фотоприемник. Нахождение пространственного распределения измеряемой величины. Используемые схемы: • Спектральное мультиплексирование каналов, при котором сенсорные элементы разнесены на различные длины волн; • Использование оптических переключателей , подключающих тот или иной сенсорный элемент к системе измерения; • Пространственно-временное мультиплексирование, при котором отклик от каждой из решеток регистрируется в различные моменты времени. Схемы измерения ΔλБ , как правило, обеспечивают точность измерения температуры ~ 0, 1 С 0 и относительного удлинения световода ~ 10 - 6.

ВОЛОКОННО- ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ (ВОД) НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННОЙ БРЭГГОВСКОЙ РЕШЕТКИ • Чувствительный элемент такого датчика не содержит электронных компонент и, поэтому он является полностью пассивным, что означает возможность использовать его в зоне повышенной взрывоопасности, агрессивности, сильных электромагнитных помех. • На одно волокно может быть установлено множество брэгговских решеток, каждая из которых дает отклик на собственной длине волны. В этом случае вместо точечного датчика мы получаем распределенную систему регистрации с мультиплексированием по длине волны.

ВОЛОКОННО- ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ (ВОД) НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННОЙ БРЭГГОВСКОЙ РЕШЕТКИ • ВОД на основе брэгговских решеток могут быть легко мультиплексированы, так что сотни чувствительных элементов могут быть вмонтированы в крыло самолета, несущую конструкцию моста, нефтяной платформы, размещены внутри топливного бака и т. д. , давая не только точное значение измеряемой величины в какой-то одной точке, но и позволяя визуализировать распределение измеряемой величины по всему объекту. Конструкция волоконно-оптического датчика OS 130 на основе брэгговских решеток для измерения сдвига (сжатия, растяжения) (производитель «Micron Optics» США), применяемый в системе мониторинга зданий и сооружений.

ВОЛОКОННО- ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ (ВОД) НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННОЙ БРЭГГОВСКОЙ РЕШЕТКИ • ВОД с решетками Брэгга могут быть следующих типов: - точечный; - квазираспределенный. • Точечные ВОД при последовательном соединении через оптическое волокно образуют массив датчиков с общим числом до 70 (их количество зависит от характеристик применяемого спектрометра и параметров решетки). • Квазираспределенный тип ВОД – это оптическое волокно, в котором в соответствующих местах записаны решетки Брэгга (количество решеток зависит от характеристик применяемого спектрометра и параметров решетки). Функциональная схема волоконнооптической системы мониторинга здания. Размещение ВОД системы мониторинга на трубопроводе.