ОВ. Структура и принцип работы параметры ОВ

Применение ОВ
ВОСПИ
ВОД физических величин
ВОУ
Спектральные рабочие диапазоны ОВ, изготовленных из различных материалов: 1 – кварцевое стекло; 2 – фторидные стекла; 3 – халькогенидные стекла; 4 – полимерные; 5 – галогениды таллия, серебра и т.д.
Материалы ОВ

Преимущества кварцевых ОВ
Работают от УФ-диапазона до ближнего ИК-диапазона с низкими потерями. кварцевое стекло (SiO2) является моносоединением и обладает значительно большей химической и механической прочностью по сравнению с другими стеклами,
Сырье (песок, горный хрусталь ...) широко распространено в природе,
разработана технология получения высокочистых соединений (напр. SiCl4 с концентрацией примесей до уровня 10–7…10–8 мас. %) и легирующих компонентов

Рентгеноаморфны,
Изотропны (если они однородны по составу, свободны от напряжений и дефектов ),
Кварц в чистом виде прозрачен. Внутренние трещины и дефекты могут придавать белый цвет, примеси – другие цвета,
Кварц хорошо растворяется в HF,
Кварц является диэлектриком и пьезоэлектриком,
Не имеют определенной температуры плавления (затвердевания),
Свойства стекол зависят от скорости переохлаждения,
Размягчаются и отвердевают обратимо.
Основные свойства стекол:

Тетраэдрическая группировка с отрицательным зарядом (SiO4) –4
Схематическое изображение на плоскости сочленения тетраэдров в структуре кристаллического (б) и стеклообразного кварца (в), а также силикатного стекла (г)
Зависимость температуры образца от времени повышения температуры нагрева: 1 – для кристаллов; 2 – для стекол.
Tg – температура стеклования, соответствует вязкости стекла 1012,3 Па·с
Ts - температура размягчения - вязкости 107,6 Па·с
Для кварцевого стекла Tg ≈ 1100 оС
Ts ≈ 1600 °C

Вязкость некоторых веществ при температурах плавления

Основные свойства кварцевого стекла

Материалы, изменяющие показатель преломления SiO2

Структура и принцип работы ОВ
Структура оптического волокна: 1 – сердцевина; 2 – светоотражающая оболочка; 3 – защитно-упрочняющее покрытие

Структура и принцип работы ОВ
Ход лучей света на границе 2-х сред
nc и no – ПП сердцевины и оболочки.

Структура и принцип работы ОВ
Луч A, падающий под критическим углом θc на границу раздела сердцевина-оболочка входит в сердцевину волокна под углом θa к оси волокна и преломляется на границе воздух-сердцевина.

Структура и принцип работы ОВ
Для любых лучей, попадающих в сердцевину волокна под углом > θа угол падения на границу раздела сердцевина-оболочка будет меньше θc= θk, => лучи будут вытекать

Структура и принцип работы ОВ
Модель ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления: n1 – ПП сердцевины; n2 – ПП светоотражающей оболочки; n3 – ПП материала защитной оболочки

Структура и принцип работы ОВ
Лучи, распространяющиеся по ОВ, называются направляемыми модами, а те лучи, которые выходят наружу, – вытекающими модами или модами излучения. Различают также меридиональные лучи, которые пересекают ось ОВ, и косые лучи , которые не пересекают эту ось
Траектория прохождения косого луча в ОВ

Числовая апертура
На границе воздух-сердцевина:
na =1

Числовая апертура
Числовая апертура представляет собой телесный угол, в пределах которого находятся лучи, которые могут распространяться по ОВ
Или через относительную разность ПП

Механизмы потерь в ОВ
Затухание в ОВ – это мера ослабления оптической мощности, распространяющейся вдоль ОВ между двумя его поперечными сечениями на данной длине волны. Затухание выражается в дБ. Коэффициент затухания – это величина затухания на единицу длины волокна (1 км), выражается в дБ/км и записывается как:
Если α = 1 дБ/км, то оптический сигнал ослабевает на ~ 26 % после прохождения через километровый отрезок ОВ.
Если α = 0,2 дБ/км, то сигнал ослабнет всего на ~ 5 %.

Механизмы потерь в ОВ
αрэл – потери на рэлеевское рассеяние (когда размер неоднородностей меньше длины волны света);
αсер –"серые" потери на рассеяние (когда размер неоднородностей больше длины волны света);
αуф – поглощение в УФ части спектра, обусловленное электронными полосами поглощения;
αик – фононное поглощение в ИК области, связанное с колебаниями химических связей компонентов стекла;
αприм– поглощение, вызываемое примесями переходных ("красящих") металлов (Fe, Cu, Ni, Cr, V, Mo, Co);
αон – поглощение, обусловленное гидроксильными ионами, присутствующими в стекле.
αпол= αрэл+ αсер+ αуф+ αик+ αприм+ αон

Потери на рассеяние
- рассеяние света на микронеоднородностях в среде, через которую распространяется электромагнитная волна, в результате чего может измениться угол распространения и свет может выйти из световода.
Рэлеевское рассеяние
Причины: флуктуации плотности и флуктуации состава. Наличие плотных и менее плотных областей можно отнести к флуктуациям теплового происхождения, возникающим из-за броуновского движения компонентов в жидком стекле перед тем, как оно затвердеет. Поскольку различные компоненты стекла могут иметь различный ПП, то флуктуации состава могут приводить к флуктуациям ПП и, соответственно, к рассеянию. Чем выше концентрация легирующих компонентов, тем больше вероятность флуктуаций состава и больше рассеяние.

Потери на рассеяние
Рэлеевское рассеяние
Где:
nс – ПП материала сердцевины кварцевого ОВ, равный 1,48–1,5;
k – постоянная Больцмана, равная 1,38×10–23 Дж/К;
Т – температура затвердения кварцевого стекла при вытяжке, равная ~1500 К;
β – коэффициент сжимаемости, равный для кварца 8,1·10-11 м2/Н;
λ – длина волны света, мкм.
Чаще пользуются упрощенным выражением
αрэл= Аλ-4
А – коэффициент рэлеевского рассеяния. Растет с ростом легирования сердцевины, с ростом Твыт. По характеру зависимости А(λ) можно судить об основном механизме потерь. Для кварцевого стекла А= от 0,7 до 1,0

Рэлеевское рассеяние

Потери на рассеяние
Рэлеевское рассеяние и
"серые" потери
Если зависимость А(λ) линейная, то потери обусловлены рэлеевским рассеянием и наклон прямой позволяет определить коэффициент рэлеевского рассеяния, а отрезок, отсекаемый на оси ординат, составляет величину "серых" потерь. Если эта зависимость носит нелинейный характер, то имеют место другие механизмы потерь
- "Серые" потери вызваны крупными неоднородностями в ОВ (например,
газовые пузыри, неровная граница между сердцевиной и оболочкой и другие
несовершенства) и не зависят от длины волны

Потери на рассеяние
Другие причины
Рассеяние за счет кручения ОВ, флуктуации геометрических размеров,
В значительной степени зависит от легирующих и загрязняющих включений,
Зависит от термической и механической «истории» стекла при производстве, такие как излишние растягивающие напряжения при вытяжке ОВ и другие механические напряжения
Потери на рассеяние можно минимизировать оптимизацей процесса производства ОВ, правильным выбором сырья для производства и тщательной обработкой кварца.

Потери на поглощение
Искривления, напряжения и колебания в решетке кварца,
Вакансии в решетке (немостиковые дырочные центры),
колебания межатомных связей (ИК-поглощение),
Нарушения межатомных связей
Межузловые атомы
Включения и примеси: гидроксильные группы (ОН и Н2), ионы металлов
Поглощение на электронных переходах (УФ-поглощение)

Потери на поглощение
УФ-поглощение обусловлено электронными переходами и зависит от энергии фотона, т.е. длины волны излучения. УФ-поглощение характерно для области малых длин волн излучения
B1 = 0,015 XGe /(44,6 XGe +60) dB/km, B2 = 4,64
(XGe молярная доля GeO2 в кварце)

Потери на поглощение
УФ-поглощение
Пики поглощения
для стекла Geo2-SiO2:
5,12 эВ (242 нм),
3,75 эВ (330 нм)
На длинах волн
более 800 нм потери <<1 дБ/км

Потери на поглощение
ИК-поглощение обусловлено взаимодействием фотонов с низкой энергией (излучение в диапазоне больших длин волн) с колебательными состояниями вещества (колебания связей между компонентами стекла). За счет такого взаимодействия энергия фотонов частично переходит в тепловую энергию.
C1 ([дБ/км], для стекла Geo2-SiO2 7,8 x 1011) и C2 (Const=44.48 µm) – коэффициенты, зависящие от мольных долей легирующих элементов
Обусловлены:
Кручение, растяжение, изгибания в кварцевой сетке Si - O –Si,
Кислородные вакансии Si - Si (образуются до вытяжки ОВ),
Разрыв связи Si – O, или немостиковый кислород Si - O Si (формируется во время вытяжки)

Потери на поглощение
Длины волн, соответствующие частотам продольных колебаний (пик поглощения) для связей между компонентами, наиболее широко применяемыми в волоконной оптике:
ИК-поглощение
В германо-силикатном стекле ИК-поглощение больщей частью обусловлено колебаниями и напряжениями в сетке Si - O -Si

Потери на поглощение
Поглощение на примесях
1 ppb - 10–7 масс. %/ содержание наиболее распространенных примесей Cu+2 и Fe+3 не должно превышать 10–8 масс. %

Потери на поглощение
Поглощение на ОН- группах
Макс. Поглощение (колебания связи) – 2,72 мкм.
Обертоны приводят к поглощению на длинах волн:
Содержание 1 ppm (10–4 масс. %) гидроксильных групп в ОВ дает полосу поглощения на 1,38 мкм интенсивностью ~ 55 дБ/км. Необходимо снизить концентрацию ОН-групп до уровня ~ 10-7 масс. %.
Потери @ 1300 нм составляют 1,6% от уровня пика потерь на ОН-группах (1383 нм). А потери @ 1550 нм – 0,8 % от уровня пика.

Источники потерь на поглощение

Оптические потери

Оптические потери

Изгибные потери

Изгибные потери
потери возникают в месте соединения прямого и изогнутого волокна. Обусловлены они тем, что в изогнутом волокне центр модового пятна смещен относительно оси волокна на некоторую величину, зависящую от радиуса изгиба волокна. В результате модовые пятна прямого и изогнутого волокна в месте их соединения оказываются смещенными друг относительно друга на эту же величину. Поэтому только часть мощности моды "прямого" волокна передается моде изогнутого волокна, а остальная мощность преобразуется в оболочечные моды и, в конечном счете, теряется.

Изгибные потери
мощность теряется и непосредственно в изогнутом волокне. В изогнутом волокне периферийная часть моды распространяется со скоростью больше скорости света, эта часть моды излучается в оболочку волокна и, в конечном счете, теряется. Величина этих потерь тем выше, чем больше число витков изогнутого волокна и чем меньше радиус его изгиба.

микроизгибные потери и потери на неоднородностях
Неоднородности изготовления, например изменение размеров диаметра или круглой формы сердечника, наличие пустот в стекле и дефектов на границе сердечник – оболочка, неравномерное распределение легирующих добавок, могут вызвать потери на рассеяние.
микроизгибные потери связаны с небольшими вариациями профиля границы сердцевина – оптическая оболочка
Потери на рассеяние, связанные с неоднородностью
Распространение света в сердцевине и влияние на него изгибных, микроизгибных, поглощающих дефектов

Основные виды ОВ и их ППП
Существует 3 основных вида ОВ:
а– Многомодовое ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления (ППП); Dс – от 50 до 970 мкм.
б – Многомодовое ОВ с градиентным ППП; Dс –50, 62,5 мкм (редко 85 мкм) .
в –одномодовое ОВ со ступенчатым ППП, Dс 5 – 10 мкм

Поле моды.
Диаметр поля моды
Характерный поперечный размер области локализации поля основной моды оптического волокна, в котором сосредоточена основная доля оптической мощности.
Радиальная зависимость амплитуды поля фундаментальной моды ОМ-ОВ носит плавно спадающий характер и близка к гауссовому закону
- Удвоенное расстояние 2wo между точкой на сечении ОВ, в которой амплитуда электрического поля моды максимальна (Еmax) и точкой, в которой амплитуда поля моды меньше максимального значения в е (е = 2.718) раз:
- используется при приблизительных оценках

Диаметр поля моды для разных длин волн излучения
Радиус сердцевины ОВ – 4 мкм

Поле моды.
Диаметр поля моды
I(r) = I0•exp (–4r2/w2)
I0 – интенсивность поля на оси волокна;
r - радиус
w – диаметр модового поля, т.е. значение диаметра, при котором интенсивность излучения составляет:
(1/е2) • I0 = 0,135 • I0.
Диаметр поля моды можно выразить через интенсивность поля:

Поле моды.
Диаметр поля моды
Для ОВ со ступенчатым профилем ПП
w/dc = 0,65 +1,619 V–3/2 + 2,879 V–6
w = 0,83 •λ / NA
n – ПП кварцевого стекла
λ – длина волны излучения, мкм
V ≤ 2,405 для ОМ ОВ
V – нормализованная частота