Реферат: Волоконная оптика и ее применение. Оптоволоконные усилители и лазеры

Оптика

Оптика Оптика. 1 Содержание этой науки. – О. представляет собой отдел физики, в котором рассматриваются световые явления; подразделяется на следующие части: а) геометрическая О., b) физическая О. и с) физиологическая О. Основание геометрической О. составляют опытом

Волоконная оптика

Оптика

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА - раздел оптики, в к-ром изучаются распространение оптич. по волоконным световодам (ВС) и возникающие при этом явления.

В. о. возникла в 50-х гг. 20 в. В первые 20 лет развития в качестве элементов В. о. использовались гл. обр. жгуты (с регулярной и нерегулярной укладкой) длиной порядка неск. м. Материалом для изготовления таких ВС являлись многокомпонентные оптич. стёкла; пропускание световодов в видимой области спектра составляло 30-70% на длине в 1 м. Низкий коэф. пропускания обусловлен затуханием света в стекле из-за большой концентрации примесей. Числовая апертура световодов составляет величину 0,5-1. Наиб. широкое применение для освещения труднодоступных объектов и для передачи изображений жгуты световодов нашли в приборостроении, в частности для техн. и медицинской эндоскопии. В 70-х гг. 20 в. произошло второе рождение

В. о., когда были разработаны ВС на основе кварцевого стекла с оптич. потерями ~1 дБ/км в ближней ИК-области спектра. (Пропускание таких световодов составляет ~50% при длине световода в неск. км.) Эти световоды используются в системах дальней оптической связи , в бортовых системах связи, системах передачи телеметрич. информации, в датчиках разл. физ. полей (магн. поля, темп-ры, вращения, акустич. волн) и др.

Волоконный световод в простейшем варианте представляет собой длинную гибкую нить, сердцевина к-рой из высокопрозрачного с показателем преломления п 1 окружена оболочкой с показателем преломления

Характер распространения оптич. излучения по ВС зависит от его поперечных размеров и профиля показателя преломления по сечению. Так, напр., число типов колебаний (мод), к-рые могут распространяться по ВС для заданной длины волны излучения, пропорционально квадрату диаметра сердцевины 2а и разности показателей преломления сердцевины и оболочки . Уменьшая произведение этих величин, можно добиться распространения по световоду лишь одной моды. В этом случае ВС наз. одномодовым. Имеется много типов структур ВС, однако к 80-м гг. 20 в. наиб. распространение получили три типа ВС (рис. 1): многомодовые со ступенчатым профилем показателя преломления, многомодовые с градиентным профилем показателя преломления и одномодовые. В одномодовых ВС обычно 2а 5-10 мкм (для ближнего ИК-диапазона), в многомодовых - от неск. десятков до неск. сотен мкм. Разность Dn для многомодовых световодов составляет ~1-2%, для одномодовых - неск. десятых долей процента. Полный диаметр световодов составляет ~10 2 -10 3 мкм.

Рис. 1. Поперечное сечение и профиль показателя преломления по сечению для световодов: а - многомодовых ступенчатых; б - одномодовых; в - многомодовых градиентных.

Распространение света по ВС обусловлено полным внутр. на границе сердцевина-оболочка. Лучи, падающие на границу сердцевина-оболочка под углом , где испытывают полное внутр. отражение, приводя к зигзагообразному распространению света вдоль световода (рис. 2). При этом угол падения луча на торец световода составляет

Рис. 2. Траектория лучей в многомодовом световоде со ступенчатым профилем показателя преломления.

Меридиональные лучи, падающие на границу сердцевина-оболочка под углом (прерывистая линия на рис. 2), частично отражаясь на границе раздела, преломляются в оболочку и поглощаются внеш. поглощающим покрытием. Следовательно, угол является мерой способности ВС захватывать свет, и синус этого угла наз. числовой апертурой ВС. .

Лучевой подход правильно отражает осн. особенности распространения света в многомодовых ВС, для к-рых (длина волны света). Однако полную картину распространения света по ВС даёт волновая теория, допускающая распространение по нему лишь дискретного набора мод.

При анализе распространения света по ВС, для к-рых , широко применяется приближение слабо направляемых мод. В этом приближении поля направляемых мод являются практически линейно поляризованными и все компоненты поля могут быть получены как производные одной преобладающей поперечной компоненты вектора электрич. поля, к-рая выражается след. образом:

Здесь А - константа; временная зависимость опущена; - ф-ция Бесселя и ф-ция Макдональда порядка -постоянная распространения направляемых мод, определяемая из решения граничной задачи ( может принимать лишь дискретные значения в интервале ); z - направление распространения, совпадающее с осью ВС; - поперечное волновое число в сердцевине ВС; = - поперечное в оболочке ВС; -волновое число в свободном пространстве.

Величина наз. характеристическим параметром световода и определяет число мод N , к-рые могут распространяться по ВС. Для ВС со ступенчатым профилем показателя преломления

Распространение света по ВС сопровождается такими оптич. явлениями, как затухание оптич. сигнала, уширение коротких импульсов света, разл. нелинейные процессы.

Потери в волоконном световоде. Затухание оптич. сигнала в стеклянном ВС в видимом и ближнем ИК-диапазонах длин волн, т. е. в областях спектра, где кварцевые стёкла имеют макс. прозрачность, определяется как фундам. механизмами поглощения и рассеяния света в стёклах, так и рассеянием и поглощением примесями и дефектами структуры.

К фундам. механизмам оптич. потерь в кварцевых стёклах относятся: поглощение, обусловленное электронными переходами (на=0,8 мкм не превышает 1 дБ/км); ИК-поглощение, обусловленное колебаниями решётки, к-рое начинает играть существ. роль (поглощение более иеск. дБ/км) лишь на1,8 мкм; рэлеевское на неоднородностях состава и плотности стекла, меньших(на=0,8 мкм не превышает неск. дБ/км). Т.о., наиб. прозрачностью ВС на основе кварцевых стёкол обладают в области 0,8-1,8 мкм. На рис. 3 приведены спектральные зависимости оптических потерь а, обусловленных фундаментальными механизмами, для кварцевого стекла, легированного Ge.

Рис. 3. Спектральные зависимости оптических потерь в кварцевом стекле, легированном германием: 1 - поглощение, обусловленное электронными переходами; S - ; 3 - поглощение, обусловленное колебаниями решётки; 4 - суммарные потери.

Примесное поглощение в указанном спектральном диапазоне определяется гл. обр. поглощением ионами переходных металлов (Fe, Cu, Cr, Ni, V и др.) и гидроксильными группами. Чтобы поглощение света не превышало неск. дБ/км, содержание переходных металлов и гидроксильных групп в стекле не должно превышать неск. частей на 1 миллиард (10 -9) и 1 миллион (10 -6) соответственно. Вклад указанных примесей в полные потери совр. ВС пренебрежимо мал. Полные потери ВС на основе кварцевых стёкол близки к предельно низким (рис. 4).

Уширение оптич. импульсов при распространении по ВС приводит к их взаимному перекрытию, что ограничивает информац. полосу пропускания ВС. За уширение импульсов в ВС ответственны три механизма: межмодовая дисперсия, материальная дисперсия и водноводная дисперсия. Наиб. вклад в уширение импульса в многомодовых ВС вносит межмодовая дисперсия - разл. распространения разл. мод. При типичных параметрах многомодовых ВС межмодовая дисперсия ограничивает полосу пропускания световода до неск. десятков Мгц*км. Различие групповых скоростей мод можно значительно снизить, обеспечив плавное изменение показателя преломления по закону, близкому к параболическому, с максимумом на оси световода. В результате полоса пропускания ВС увеличивается до 600-800 Мгц*км и более.

Материальная дисперсия ВС обусловлена зависимостью показателя преломления материала, из к-рого изготовлен световод, от. В этом случае групповая скорость моды зависит от частоты света, а поскольку оптич. импульс всегда имеет конечную спектральную ширину , происходит уширение импульса при его распространении по световоду. Уширение импульса вследствие материальной дисперсии при распространении по световоду длины L равно

При распространении по ВС с сердцевиной из кварца уширение импульса от светодиода на основе GaAlAs, работающего на волне =0,8 мкм и имеющего относит. спектральную ширину =0,04, составляет =4 нс/км. Уширение импульса вследствие материальной дисперсии резко уменьшается, если несущего излучения выбрана в спектральной области вблизи 1,3 мкм, т. к. в этой области для кварцевых стёкол величина

Волноводная дисперсия связана с зависимостью групповой скорости данной моды от Волноводная дисперсия обычно пренебрежимо мала по сравнению с величиной материальной дисперсии.

В ВС из легированного кварцевого стекла существуют области, где материальная дисперсия равна по величине волноводной дисперсии и отличается от неё знаком. В этих областях, лежащих в диапазоне 1,2<<1,7 мкм, можно выбором легирования и подбором диаметра сердцевины ВС добиться взаимной компенсации и обеспечить наим. уширение импульса (наиб. полосу пропускания) в одномодовых ВС.

Нелинейные процессы в волоконных световодах . Вследствие изотропии материала сердцевины стеклянных световодов младший нелинейный член в разложении поляризации по полю-кубический, т. е. нелинейная поляризация . Кубическая восприимчивость связана с нелинейным показателем преломления n нл след. соотношением: Величина n нл плавленого кварца невелика: n нл ~ 10 -13 в системе единиц CGSE. Однако уменьшение диаметра сердцевины (до ~ 10 мкм) и низкие оптич. потери ВС позволяют поддерживать высокую интенсивность оптич. излучения (~10 10 Вт/см 2) на длинах световода более 1 км, и поэтому в ВС легко наблюдать разл. нелинейные явления. Напр., 1-я стоксова компонента вынужденного комбинац. рассеяния света (BKP, см. Вынужденное рассеяние света )наблюдается при мощности накачки в неск. сотен мВт. Спектр комбинац. рассеяния в кварцевых стёклах широк, и с помощью дисперс. элемента можно получать перестройку частоты порядка 300 см -1 . На основе BKP созданы перестраиваемые волоконные генераторы лазерного излучения в ближней ИК-области спектра.

Рис. 4. Спектр оптических потерь одномодового волоконного световода.

Принципиальным преимуществом ВС для оптич. связи является огромная широкополосность при низких оптич. потерях. Так, напр., стеклянные ВС в области нулевой материальной дисперсии (1,3 мкм) позволяют передавать сигналы с полосой пропускания ~100 ГГц*км при потерях <1 дБ/км. Волоконная связь отличается также невосприимчивостью к эл--магн. помехам, малым объёмом и весом линий передач; помогает экономить дефицитные цветные металлы.

К нач. 80-х гг. создана элементная база волоконнооптич. систем связи первого поколения, разработаны и испытаны в реальных условиях разл. системы. Эти системы применяются в телефонных сетях, кабельном телевидении, бортовой связи, вычислит. технике, системах контроля и управления технол. процессами и мощными электростанциями.

Лит.: Вейнберг В. Б., Саттаров Д. К., Оптика световодов, 2 изд., Л., 1877; Капани H. С., Волоконная оптика, пер. с англ., M., 1969; Тидекен Р., Волоконная оптика и ее применение, пер. с англ., M., 1975; Девятых Г.Г., Дианов E. M., Волоконные световоды с малыми оптическими потерями, "Вестн. АН СССР", 1981, M 10, с. 54; Mидвинтер Дж. Э., Волоконные световоды для передачи информации, пер. с англ., M., 1983; Дианов E. M., Прохоров A. M., Лазеры и волоконная оптика, "УФН", 1986, т. 148, с. 289.

Презентация к уроку «Полное внутреннее отражение»

учителя МАОУ лицея №14

Ермаковой Т.В.

2014 год

Волоконная оптика - это раздел оптики, в котором изучаются распространение света и передача информации по световодам.

Это одно из наиболее быстро развивающихся направлений современной лазерной физики.

• Принцип передачи света, используемый в волоконной оптике, был впервые продемонстрирован во времена королевы Виктории (1837-1901 гг.)

• Нариндер Капани (12.10.1926 г) - один из основоположников волоконной оптики

• Развитие современной волоконной технологии началось в 1966 году, когда двое японских ученых Као и Хокэма предложили использовать для передачи светового сигнала длинные стеклянные волокна.

• В 1970 году фирма «Корнинг Гласе» впервые разработала световод, пригодный для передачи светового сигнала.

• Оптическое волокно представляет собой диэлектрический волновод, изготовленный из кварцевого стекла
• Сердцевина – это область в центре волокна, показатель преломления которой больше, чем у оболочки, и в которой распространяется большая часть энергии светового сигнала.
• Оболочка – это область волокна вокруг сердцевины, которая чаще всего изготавливается с постоянным и всегда более низким, чем у сердцевины, показателем преломления. Граница двух областей с более высоким и низким показателями преломления создаёт световодную структуру, удерживающую большую часть света в зоне сердцевины.

• Распространение световых лучей в оптических волокнах

В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления

Световод представляет собой стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления. За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути. Волокна набираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь элемент изображения

Распространение луча света в волноводе

Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое SMF и многомодовое MMF.

Первые оптические волокна были многомодовыми, т.е. по ним могло проходить несколько световых волн одновременно.

Одномодовое волокно новейшей технологии имеет настолько малый диаметр сердцевины, что позволяет спрямить путь отдельного луча и намного снизить потери интенсивности сигнала

По одному волокну можно передать одновременно

10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи.

Методы волоконной оптики используются:

• в медицинских приборах (освещение носоглотки, желудка и т. д.) ;
• в скоростной киносъемке;
• в ядерной физике (регистрация треков ядерных частиц);
• в оптической связи;
• в фототелеграфии и телеметрии (преобразователи кода и шифровальные устройства);
• в вычислительной технике, акустике и т. д.

Одним из важных устройств, в котором применяется волоконная оптика, является волоконно-оптический телефон, используемый для двухсторонней связи.

• Волоконно-оптический канал имеет намного более широкую полосу пропускания, чем металлический кабель. То есть он может нести больше данных.
• Оптико-волоконный кабель менее чувствителен к помехам, чем металлический, и намного тоньше и легче, чем металлический.
• Данные могут передаваться в цифровом виде, а не в аналоговом.
• Важное свойство оптического волокна – долговечность.

• Основной недостаток волоконной оптики в том, что волоконно-оптический кабель является самым дорогим из всех типов кабеля.
• Волоконно-оптический кабель очень хрупкий, поэтому монтаж его очень затруднителен.

Оптоволокно в природе

Исследователи недавно обнаружили в теле глубоководных губок рода Euplectellas высококачественное оптоволокно.

Заключение

Волоконно-оптические системы связи обеспечивают максимальную скорость передачи информации.

Они включают в себя последние достижения оптики, электроники, материаловедения и технологий.

Тенденции развития :

Увеличение информационной емкости линий связи

Увеличение скорости обработки информации

Уменьшение потерь и искажений оптических сигналов

• Агравал Г. Волоконная оптика.- М.: Мир, 2010.
• Гроднев И. И. Оптоэлектронные системы передачи информации. – М.: Знание, 2012
• Ремизов А.Н. Физика: учебник. -М.: Дрофа, 2011

Содержание статьи

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА, технология передачи света по тонким нитям из прозрачных материалов. Этот свет используется для передачи электронных сигналов на большие расстояния. В домашних условиях или в учреждении один волоконный жгут толщиной в человеческий волос может осуществлять перенос всех сигналов, необходимых для работы телевизоров, телефонов и компьютеров. Подобные нити, называемые также оптическими волокнами или световодами, изготавливаются обычно из стекла или пластмассы.

Источниками света для волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) служат лазеры и светоизлучающие диоды. Включением и выключением света кодируются биты (т.е. соответственно единицы и нули) цифровой информации. Повторители поддерживают уровень сигнала на пути следования, а приемники обнаруживают и декодируют его на другом конце линии.

Оптическое волокно состоит из светопередающей сердцевины и оболочки, которая препятствует рассеянию света. Волокна собираются в кабель, который может содержать от 72 до 144 волокон. Первые оптические волокна были многомодовыми, т.е. по ним могло проходить несколько световых волн одновременно. Многомодовые волокна требовали довольно частого расположения повторителей, чтобы компенсировать поглощение и дисперсию световых лучей на их зигзагообразном пути по стержню. Одномодовое волокно новейшей технологии имеет настолько малый диаметр сердцевины, что позволяет спрямить путь отдельного луча и намного снизить потери интенсивности сигнала. Кабели из одномодовых волокон способны передавать до 1,2 млрд. бит данных в секунду, причем расстояние между повторителями достигает 50 км.

Применения волоконной оптики.

Оптические волокна используются в медицинских инструментах. Введенные в тело пациента, они передают изображение органа или пораженного участка на внешнюю телекамеру, исключая тем самым необходимость исследования с помощью хирургических методов. В автомобилях они служат для подачи света от общего источника к различным приборным панелям. Оптические волокна связывают компьютеры, роботы, телевизионные установки и телефоны на многих заводах и в учреждениях.

Однако такие волокна не вполне прозрачны, чтобы удовлетворить требованиям, предъявляемым к ВОЛС. В таком кабеле свет должен проходить большие расстояния без каких-либо помех. Трещины, загрязнения или пузырьки в волокне приводят к поглощению или отражению тонкого луча. Уже удалось сократить в волокнах потери на передачу до величины менее 10% на километр.

Оптические волокна, используемые для телекоммуникаций, должны свариваться так, чтобы швы были минимальны. Генераторы света должны подсоединяться к концам волокна с очень высокой точностью. Для этой цели были разработаны лазеры и светодиоды размерами не более крупицы столовой соли. Оптоволоконные кабели для телефонного обслуживания на больших расстояниях работают в США, Японии, Западной Европе. Сеть трансокеанских волоконных кабелей, связывающая Северную Америку как с Европой, так и с Азией, действует с 1990. См. также