Волоконная оптика и её использование в оптоинформатике

Волоконная оптика и её использование в оптоинформатике. • История • Принцип работы оптических волоконных световодов (волокон) • Основные типы волокон • Технология получения • Потери в волокнах • Дисперсия волокон • Модовое двулучепреломление • Нелинейные эффекты в волокнах

История волоконной оптики • 1842 Опыт Д. Колладона и заметки Бабине • 1927 Первые стеклянные волокна без оболочки • 1958 Волокна с оболочкой (Б. О’Брайн, Х. Хансен) • 1964 Первый волоконный лазер • 1970 Волокно с потерями 20 д. Б/км • 1979 Волокно с потерями 0, 2 д. Б/км (1, 55 мкм) • 2000 «Безводное» волокно с потерями < 0, 2 д. Б/км

Эксперимент Колладона с водной струей

Углы полного внутреннего отражения для разделов стекло-воздух и алмаз-воздух Закон Снеллиуса Критический угол полного внутреннего отражения

Влияние оболочки

Устройство простейшего оптического волокна Световые пучки должны падать под углами, обеспечивающими полное внутреннее отражение от раздела серцевина-оболочка

Основные параметры волокон Типичное значение D ~ 0, 03 При V < 2, 405 волокно одномодовое (a =2… 10 мкм)

Основные типы волокон

Основные типы волокон Распространение света в градиентном волокне

Материалы и изготовление Si. O 2 +Ge. O 2, P 2 O 5

Модифицированный метод химического осаждения из газовой фазы (MCVD) изготовления заготовки

Затухание Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками или повторителями. На затухание света в волокне влияют такие факторы, как: потери на поглощении; потери на рассеянии; кабельные потери. Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также дополнительными потерями, рис. 2. 6.

Полное затухание в волокне (измеряется в д. Б/км) определяется в виде суммы: a=aint + arad + a =aabs + аsct + arad

Потери на поглощение aabs состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение), так и из потерь, связанных с поглощением света на примесях. Примесные центры, в зависимости от типа примеси, поглощают свет на определенных (присущих данной примеси) длинах волн и рассеивают поглощенную световую энергию в виде джоулева тепла. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь, рис. 2. 7. Следует отметить характерный максимум в районе длины волны 1480 нм, который соответствует примесям ОН-. Этот пик присутствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется. Собственные потери на поглощении растут и становятся значимыми в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. При длине волны излучения выше 1, 6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным из-за роста потерь, связанных с инфракрасным поглощением, рис. 2. 7.

Потери на рассеянии asct. Уже к 1970 году изготавливаемое оптическое волокно становится настолько чистым (99, 9999%), что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. На длине волны 800 нм затухание составило 1, 5 д. Б/км. Дальнейшему уменьшению затухания препятствует так называемое рэлеевское рассеяние света. Рэлеевское рассеяние вызвано наличием неоднородностей микроскопического масштаба в волокне. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях. В результате часть его теряется в оболочке. Эти неоднородности неизбежно появляются во время изготовления волокна. Потери на рэлеевском рассеянии зависят от длины волны по закону λ-4 и сильней проявляются в области коротких длин волн, рис. 2. 7.

Оптические потери в кварцевом волокне Рэлеевские потери С = 0, 7 – 0, 9 д. Б/(км мкм 4) = 0, 12 – 0, 15 д. Б/км (1, 55 мкм)

Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерями вследствие рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения. На рис. 2. 8 приводится общий вид спектральной зависимости собственных потерь с указанием характерных значений четырех основных параметров (минимумов затухания в трех окнах прозрачности 850, 1300 и 1550 нм, и пика поглощения на длине волны 1480 нм) для современных одномодовых и многомодовых волокон.

Кабельные (радиационные) потери arad обусловлены скруткой, деформациями и изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек, производства кабеля, а так же в процессе инсталляции ВОК. При соблюдении ТУ на прокладку кабеля номинальный вклад со стороны радиационных потерь составляет не больше 20% от полного затухания. Дополнительные радиационные потери появляются, если радиус изгиба кабеля становится меньше минимального радиуса изгиба, указанного в спецификации на ВОК.

Оптические потери в новом волокне фирмы Lucent

ХРОМАТИЧЕСКАЯ ДИСПЕРСИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН Формула Зельмейера Постоянная распространения моды излучения в волокне Дисперсионный параметр

Зависимость показателя преломления п и группового показателя преломления пg кварцевого стекла от длины волны.

Показатель преломления прозрачной оптической среды, также называемый коэффициентом преломления , показывает во сколько раз фазовая скорость света меньше скорости света в вакууме. Здесь, рассмотрим линейное распространение (то есть с низкой оптической интенсивностью) плоских волн. Через показатель преломления также можно определить такие явления, как преломление, отражение и дифракция в оптических устройствах. Показатель преломления может быть вычислен по относительной диэлектрической проницаемости ε и относительной проницаемости μ материала. При расчетах должны использоватьсязначения ε и μ, соответствующие оптическим частотам, которые могут отклониться существенно от значений при низких частотах или в постоянном поле. Для обычных оптических материалов μ близко к единице.

Показатель преломления материала зависит от оптической частоты или длины волны; эту зависимость называют хроматической дисперсией. Типичные значения показателя преломления для стекол и кристаллов (например, кристаллы в лазерах) в видимой спектральной области находятся в диапазоне от 1. 4– 2. 8, и обычно показатель преломления выше для более коротких длин волн (нормальная дисперсия). Это – следствие факта, что видимая спектральная область, с высоким коэффициентом пропускания, находится между спектральными областями с сильным поглощением: ультрафиолетовой области с энергиями фотона выше ширины запрещенной зоны, и инфракрасной областью с колебательными резонансами и их обертонами.

Рисунок 1: Показатель преломления (сплошные линии) и групповой показатель (пунктирные линии) кварца в зависимости от длины волны при температурах 0° C (синий), 100° C (черный) и 200° C (красный). Графики основаны на данных от M. Medhat et al. , J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 4, 174 (2002)

Полупроводники показывают более высокие показатели преломления в своей области пропускания. Например, у арсенида галлия (Ga. As) показатель преломления ≈  3. 5 в 1 μm. Это вызвано сильным поглощением в длинах волн ниже длины волны запрещенной зоны ≈  870 нм. Следствия высокого показателя преломления - большое отражения Френеля и большой критический угол для полного внутреннего отражения на границе полупроводник-воздух. Зависимость показателя преломления от длины волны прозрачного оптического материала может часто описываться аналитически с формулой Зельмейера (Sellmeier), которая содержит несколько параметров, полученных опытным путем. Расширенные версии таких уравнений также описывают температурную зависимость; такое уравнение использовалось для рисунка 1. Точное знание длины волны и температурная зависимость показателя преломления важны для фазы, соответствующей нелинейного преобразования частоты в нелинейных кристаллических материалах.

В анизотропных средах показатель преломления обычно зависит от направления поляризации (→ двойное лучепреломление) и направления распространения (анизотропия). Если у носителя есть так называемая оптическая ось, показатель преломления для распространения света вдоль этой оси не зависит от направления поляризации. Комплексный показатель преломления используется, чтобы определить количественно не только изменение фазы на единицу длины, но также и (через его мнимую часть) усиление в оптическом диапазоне или потери при распространении (например, вследствие поглощения).

Есть другой тип показателя преломления, групповой коэффициент преломления, который характеризует уменьшение групповой скорости. Экстремальные отклонения показателя преломления и особенно группового показателя может произойти около резких резонансов, как наблюдаются в определенных экспериментах квантовых оптики. Это может быть связано с чрезвычайно большими или маленькими значениями групповой скорости (так называемый "медленный свет"). Групповая скорость — это величина, характеризующая скорость распространения «группы волн» - то есть более или менее хорошо локализованной квазимонохроматической волны (волны с достаточно узким спектром). Обычно интерпретируется как скорость перемещения максимума амплитудной огибающей квазимонохроматического волнового пакета (или цуга волн). В случае рассмотрения распространения волн в пространстве размерностью больше единицы подразумевается как правило волновой пакет близкий по форме к плоской волне. Групповая скорость во многих важных случаях определяет скорость переноса энергии и информации квазисинусоидальной волной (хотя это утверждение в общем случае требует серьёзных уточнений и оговорок). Групповая скорость определяется динамикой физической системы, в которой распространяется волна (конкретной среды, конкретного поля итп). В большинстве случаев подразумевается линейность этой системы (точно или приближенно). Для одномерных волн групповая скорость :

В одномерных средах без дисперсии групповая скорость формально совпадает с фазовой скоростью лишь в случае одномерных волн. В диссипативных (поглощающих) средах групповая скорость уменьшается с увеличением частоты в случае нормальной дисперсии фазовой скорости и, наоборот, увеличивается в средах с аномальной дисперсией. Если дисперсионные свойства среды таковы, что волновой пакет распространяется в ней без существенных изменений формы своей огибающей, групповая скорость обычно может быть интерпретирована как скорость переноса «энергии» волны и скорость, с которой могут быть переданы с помощью волнового пакета сигналы, несущие информацию, (то есть «скорость распространения причинности» ).

Даже отрицательный показатель преломления возможен для определенных фотонных мета-материалов (обычно конструкция металл-диэлектрик), которые были продемонстрированы впервые в микроволновом диапазоне, но разрабатываются также и для оптического диапазона. Отрицательные значения показателя преломления дают начало целому ряду интригующих явлений. Например, при преломлении между вакуумом и обычными материалами получается так, что преломленный луч находится на той же самой стороне поверхности, что и падающий луч. В волноводах (и в многомодовых оптоволокнах) каждой моде может быть присвоен свой эффективный показатель преломления, согласно ее фазовой скорости.

Одно из возможных свойств метаматериалов — отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей. Пример такого метаматериала показан на Рисунке.

Метаматериалы Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид: (1) — квадрат показателя преломления. Из этих уравнений очевидно, что одновременная смена знаков у диэлектрической и магнитной восприимчивости среды никак не отразится на этих соотношениях.

В англоязычной литературе Метаматериалы называют right- и left-handed materials, или сокращенно RHM (правые) и LHM (левые), соответственно.

Перенос энергии правой и левой волнами Поток энергии, переносимой волной, определяется вектором Пойнтинга , который равен . Вектор всегда образует с векторами , правую тройку. Таким образом, для правых веществ и направлены в одну сторону, а для левых — в разные. Так как вектор совпадает по направлению с фазовой скоростью, то ясно, что левые вещества являются веществами с так называемой отрицательной фазовой скоростью. Иными словами, в левых веществах фазовая скорость противоположна потоку энергии. В таких веществах, например, наблюдается обращенный допплер-эффект.

Существование отрицательного показателя среды возможно при наличии у неё частотной дисперсии. Если одновременно диэл. Прон. и магн. прон , будут , отрицательны то энергия волны будет отрицательной(!). Единственная возможность избежать этого противоречия будет наличие у среды частотной дисперсии.

Джон Пендри[3] и его коллеги в Physical Review Letters утверждают, что в материалах с отрицательным показателем преломления можно преодолеть дифракционный предел разрешения обычной оптики. В правой среде пространство изображений линзы нетождественно самому предмету, так как оно формируется без затухающих волн. В левой среде затухающие волны не затухают, даже наоборот — их амплитуда увеличивается при удалении волны от предмета, поэтому изображение формируется с участием затухающих волн, что может позволить получать изображения с лучшим, чем дифракционный предел, разрешением.

Это предложение Дж. Пендри было подвергнуто критике Виктора Веселаго как несостоятельное[4]. Таким образом, вопрос создания суперлинз на основе левых сред в настоящее время дискутируется[5], а экспериментальные попытки создания линз продолжаются. Первая экспериментально продемонстрированная суперлинза с отрицательным показателем преломления имела разрешение в три раза лучше дифракционного предела. Эксперимент проводился с микроволновыми частотами[6]. В оптическом диапазоне суперлинза была реализована в 2005 году[7]. Это была линза, не использующая негативную рефракцию, однако для усиления затухающих волн использовался тонкий слой серебра.

Последние достижения в создании суперлинз представлены в обзоре[8]. Для создания суперлинзы используются чередующиеся нанесенные на подложку слои серебра и фторида магния, на которых затем нарезалась нанорешётка. В результате создавалась трёхмерная композиционная структура с отрицательным показателем преломления в ближней инфракрасной области[9]. Во втором случае, метаматериал создавался с помощью нанопроволок, которые электрохимически выращивались на пористой поверхности оксида алюминия[10]. В начале 2007 г. было заявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимой области. У материала показатель преломления на длине волны 780 нм был равен − 0. 6[11].

Зависимость дисперсионного параметра D одномодового волокна от длины волны

Волокно со смещенной областью нулевой дисперсии к 1, 55 мкм

Способы управления волноводной дисперсией Зависимости показателя преломления волокна от радиуса n r

Зависимость дисперсионного параметра D от длины волны для разных типов волокон Параметр расстройки групповых скоростей Длина дисперсионного разбегания

Модовое двулучепреломление Степень модового двулучепреломления Схема эволюции состояния поляризации света вдоль двулучепреломляющего световода. Сохраняющие поляризацию волокна

Нелинейные эффекты в волокнах Индуцированная поляризация Фазовая самомодуляция Фаза оптического поля Нелинейный набег фазы Нелинейный показатель преломления

Спектральное уширение в волокне вследствие фазовой самомодуляции Эксперимент Расчет

Нелинейные эффекты в волокнах Вынужденные рассеяния ВКР и ВРМБ. ВКР – вынужденное комбинационное рассеяние ВРМБ – вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна Лазер накачки l. P Волокно l. P l. S l. P - длина волны накачки l. S - длина волны Стокса

Уравнение для начального роста стоксовой волны IS, P – интенсивности волн Стокса и накачки, g. R – коэффициент усиления стационарного ВКР, a. S, P – потери на стоксовой частоте и частоте накачки Решение в приближении заданной накачки Результат численного моделирования ВКР генерации в реальном кварцевом волокне

Принципиальная схема ВКР-усилителя с Использованием накачки на нескольких длинах волн с различной поляризацией. Изоляторы Фарадея

Литература • Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика. -М. : Мир, 1996. -323 с. Раздел «Введение»