Передача сигнала в оптоволокне
Оптические волокна составляют отдельную группу оптических приборов, называемых волноводами. В основе волноводов заложен принцип полного внутреннего отражения, с помощью которого можно изменять направление света внутри твердого или жидкого вещества. Сейчас оптоволоконные компоненты активно используются в устройстве телекоммуникационных сетей, спектроскопов, излучательных элементов и датчиков.
Рисунок 1. Полное внутреннее отражение в оптоволокне. Fiber core – сердцевина волокна. Fiber Cladding – оболочка оптоволокна
Структура наиболее известного материала, используемого в производстве оптоволокна – диоксида кремния – характеризуется ступенчатым показателем преломления. Оптические волокна имеют внутренний сердечник из материала с показателем преломления более высоким, чем показатель преломления оболочки. Внутри волокна существует критический угол падения, когда свет еще отражается от ядра / оболочки и не преломляется в окружающую среду. Чтобы создать условия для полного внутреннего отражения в волокне, угол падения света не должен превышать угла приема, θacc. Закон Снелла для вычисления этого угла выглядит так:
где ncore – коэффициент преломления ядра, nclad – коэффициент преломления оболочки, n – коэффициент преломления внешней среды, θcrit – критический угол, and θacc – половинный угол приема волокна. Числовая апертура (NA) представляет собой безразмерную величину, используемую производителями волокна для определения угла приема оптического волокна и определяется формулой:
В оптических волокнах с шаговым показателем и большим сердечником (многомодовым) числовая апертура может быть вычислена непосредственно таким уравнением. Ее также можно определить экспериментально путем отслеживания профиля луча дальнего поля и измерения угла между центром пучка и точкой, в которой интенсивность пучка составляет 5% от максимума; однако, вычисление NA напрямую дает наиболее точное значение.
Количество мод оптоволокна
Любой путь распространения света в оптическом волокне известен как волноводная мода. В зависимости от физических размеров сердцевины и оболочки, показателя преломления и длины волны излучения в одном оптическом волокне может поддерживаться до нескольких тысяч мод. Двумя наиболее распространенными вариантами являются одномодовое волокно (поддерживает один режим распространения) и многомодовое волокно (поддерживает большое количество режимов). В многомодовом волокне моды нижнего порядка пространственно ограничивают свет в сердцевине волокна; моды более высокого порядка имеют свойство ограничивать свет вблизи ядра / оболочки.
Простые вычисления позволяют оценить количество мод оптоволокна. Нормализованная оптическая частота представляет собой безразмерную величину, пропорциональную оптической частоте свободного пространства, но нормализуется к направляющим свойствам оптического волокна. Нормализованная частота определяется как:
где V - нормализованная частота (V-число), a - радиус сердцевины волокна, λ - длина волны свободного пространства. Многомодовые волокна имеют большие V-числа; например, у многомодового волокна с сердечником Ø50 мкм и NA 0,39 на длине волны 1,5 мкм V-число составляет 40,8.
Для многомодовых волокон существует отдельная формула приближенного вычисления количества мод:
В приведенном выше примере многомодовое волокно способно поддерживать приблизительно 832 разных режима распространения волны.
Одномодовые волокна характеризуются V-числом, меньшим 2.405. Распространение света происходит только в одном основном режиме. Также одномодовое волокно имеет значительно меньший диаметр сердцевины и небольшую нормализованную частоту по сравнению с многомодовым волокном в одних и тех же условиях. Например, одномодовое волокно SMF-28 Ultra с NA 0,14 и сердечником Ø8,2 мкм при длине волны 1550 нм характеризуется V-числом, равным 2.404.
Источники потерь
Вычисление потери (затухания) сигнала в оптическом волокне необходимо для вычисления полной передаваемой мощности в волоконно-оптической установке. Количественно потери зависят от длины волны и материала, используемого в самом волокне, они происходят также на изгибах волокна. Ниже более подробно рассмотрены все источники затухания.
Поглощение
Поскольку свет в стандартном оптическом волокне направляется через твердый материал, потери происходят из-за поглощения. Стандартные волокна изготавливаются с использованием плавленого кварца и предназначены для передачи сигнала длиной от 1300 до 1550 нм. При более длинных волнах (> 2000 нм) многофононные взаимодействия в расплавленном диоксиде кремния вызывают значительную абсорбцию сигнала. Фторидные стекла, такие как ZrF4 и InF3, используются при изготовлении оптических волокон для работы в среднем ИК-диапазоне, главным образом потому, что они продуцируют меньшие потери на этих длинах волн. Волокна на ZrF4 и InF3 имеют многофононный край ~ 3,6 мкм и ~ 4,6 мкм соответственно.
Посторонние примеси и загрязнения в волокне также способствуют поглощению сигнала. Например, молекулы воды, которые попадают в стекло оптического волокна, поглотят свет длиной около 1300 нм и 2,94 мкм. Поскольку сигналы в телекоммуникационных сетях и некоторые лазеры работают в той же области, любые молекулы воды, присутствующие в волокне, значительно ослабят сигнал.
Концентрация ионов в оптоволокне контролируется производителями и используется для определения коэффициентов пропускания / затухания. Например, гидроксильные ионы (OH-) обязательно присутствуют в двуокиси кремния и поглощают свет ближнего и среднего ИК-диапазона. Поэтому волокна с низким содержанием гидроксильных ионов подходят для передачи сигналов внутри телекоммуникационных сетей. С другой стороны, волокна с высоким содержанием OH- стимулируют передачу ультрафиолетового излучения. Такие волноводы распространены среди исследований в области флуоресценции или спектроскопии ультрафиолетового и видимого диапазона.
Светорассеяние
Для большинства применений волоконной оптики источником потерь является светорассеяние, которое возникает с изменением показателя преломления среды. Эти изменения могут быть внешними, вызванными примесями, макрочастицами или пузырьками; или внутренними, вызванными колебаниями плотности, состава или фазового состояния стекла. Рассеяние связано с длиной волны света обратной зависимостью, поэтому потери на рассеяние света увеличиваются в области коротких волн, в ультрафиолетовой или синей области спектра. Надлежащая очистка волокон, обработка и хранение может минимизировать присутствие примесей внутри волокон, и, соответственно, потерь на рассеяние света.
Потери за счет изгибов
Микро- и макродеформации оптического волокна также негативно влияют на распространение излучения.
Когда волокно изгибается так, как показано на рисунке, свет вблизи внешнего радиуса изгиба не может сохранять тот же профиль пространственной моды, не превышая скорость света. Вместо этого энергия теряется в оболочке. При большем радиусе изгиба потери малы; однако при радиусах, меньших рекомендуемого, они становятся очень значительными. Волноводы можно подвергать деформации на короткие периоды времени; однако при хранении радиус изгиба должен превышать допустимые значения. Необходимо следовать условиям хранения, соблюдать температуру и допустимый радиус изгиба, чтобы уменьшить вероятность повреждения.
Рисунок 2.1. Потери на изгибе оптоволокна. Spatial Mode Profile – профиль пространственной моды. Lost power – потеря энергии. Direction of propagation – направление распространения
Рисунок 2.2. Потери на микроизгибе оптоволокна. Coupling into Higher-Order Mode - переход в моду высшего порядка. Loss as non-propagating mode – Потери (нераспространяющиеся моды). Cladding - оболочка. Core - ядро, сердечник
К микродефектам относятся всевозможные внутренние деформации волновода, в частности сердцевины и слоев оболочки. Нарушения структуры волокна искажают условия, необходимые для полного внутреннего отражения, в результате чего распространяющийся свет (часть света) переходит в потери нераспространяющейся моды. В отличие от макродефектов, микродефекты невозможно исключить из оптоволокна полностью.
Паразитная мода
В то время как большая часть света в многомодовом волокне направляется через полное внутреннее отражение в сердцевине волокна, существуют моды более высокого порядка, когда свет распространяется и внутри сердцевины, и в оболочке. Это явление называется оболочечной модой.
Рисунок 3. Профилирование луча в многомодовом волокне FT200EMT и светодиоде M565F3. Показан профиль света, в оболочке, а не в сердечнике волокна
Приведен пример профилирования луча, где показаны оболочечные (паразитные) моды с интенсивностью большей, чем в сердцевине волокна. Эти моды могут быть как нераспространяющимися (они не удовлетворяют условиям полного внутреннего отражения), так и распространяющимися на большие длины волокна. Поскольку паразитная мода обычно принимает более высокий порядок, она является источником потерь в присутствии микро- и макродефектов волокна. При подключении двух волокон через разъемы паразитные моды теряются, поскольку не сочетаются между двумя волокнами.
Паразитные моды важно учитывать во многих приложениях (например, при запуске в свободное пространство) из-за их влияния на пространственный профиль пучка. С увеличением длины волокон эти моды естественным образом уменьшатся. Для коротких длин волокон (<10 м) существует один способ удаления оболочечных мод. Метод состоит в том, чтобы использовать обертку оправки с радиусом, устраняющим оболочечные моды, сохраняя при этом желаемые режимы распространения.
Засветка волокна
Режим неполного заполнения
Для большого многомодового волокна, обладающего большой числовой апертурой, состояние света (например, тип источника, диаметр луча, NA) внутри волокна может оказать значительное влияние на некоторые характеристики. Запуск в режиме неполного заполнения происходит, когда диаметр пучка и числовая апертура света меньше диаметра сердцевины и числовой апертуры волокна. К примеру, запуск света от лазерного источника в большое многомодовое волокно демонстрирует это явление. Как видно из схемы и картины профиля луча, свет концентрируется в середине волокна, заполняя преимущественно моды более низкого порядка. При таком запуске свет менее чувствителен к отклонению волокна от основной оси и не имеет паразитных мод.
Рисунок 4. Диаграмма, иллюстрирующая режим неполного заполнения. Картина профиля луча получена с использованием мультимодового волокна FT200EMT
Режим переполненного заполнения
Режим переполненного заполнения возникает, когда диаметр пучка и числовая апертура на границе сопряжения больше, чем диаметр сердечника и числовая апертура волокна. В качестве примера – излучение светодиода, распространяющееся внутри небольшого многомодового волокна. Режим переполнения полностью раскрывает ядро волокна и часть оболочки для освещения, позволяя равномерно заполнять моды низкого и высокого порядков (как показано на рисунках), при этом повышается вероятность возникновения паразитной моды. Таким образом, режим переполненного заполнения волокна повышает потери, возникающие при деформации. Измеренные вносимые потери при запуске в переполненном режиме выше, однако приводят к общему увеличению выходной мощности.
Рисунок 5. Диаграмма, иллюстрирующая режим переполненного заполнения. Картина профиля луча получена с использованием мультимодового волокна FT200EM
Существуют преимущества и недостатки каждого режима запуска в зависимости от требований к исследованию. Для измерения базовых характеристик многомодового волокна рекомендуется следовать условиям запуска, когда диаметр пучка составляет 70-80% от диаметра сердечника волокна. На коротких расстояниях переполненное волокно имеет большую выходную мощность; однако на больших расстояниях (> 10-20 м) исчезают моды более высокого порядка, более восприимчивые к затуханию.
Повреждения, вызванные лазерным излучением
Далее описаны механизмы повреждения, вызываемые источниками лазерного излучения. В эту категорию относятся и повреждения, происходящие на границе сред воздух / стекло (при соединении в свободном пространстве или при помощи коннекторов), и повреждения в самом оптическом волокне. Волокно без оболочки, патч-кабель или плавкий соединитель имеют множество уязвимостей - например, разъемы, концевые поверхности волокон. Сами по себе устройства очень чувствительны. Поэтому на мощность накладываются ограничения.
Хотя порог повреждения можно оценить, используя соотношения и общие правила, пороги абсолютного повреждения в оптических волокнах зависят от конкретной задачи. Необходимо придерживаться указанного максимального уровня мощности; если для конкретного компонента не указан максимум, пользователь должен придерживаться «безопасного уровня».
Факторы, которые могут снизить энергопотребление и вызвать повреждение волоконного компонента, включают: несоосность соединения волокон, загрязнение торцевых поверхностей волокна и конструкционные несовершенства.
Повреждения, происходящие на границе стекло/воздух
На границе разделения сред стекло/воздух существуют собственные механизмы повреждения. Соединение двух волокон происходит с помощью оптических коннекторов; в других случаях связь в свободном пространстве приводит к появлению этой границы раздела сред. Необратимые повреждения, наносимые высокоинтенсивным излучением, снижают способность к удержанию мощности в свободно соединенных волокнах; а если присутствуют соединители из эпоксидной смолы, то выделяемое тепло попросту расплавит материал, оставив следы на фасетке волокна непосредственно на пути распространения излучения.
Рисунок 6. Слева - неповрежденный торец волокна; Справа - поврежденный торец волокна
Повреждение волокна без защитной оболочки
На основе пороговых значений, полученных для УФ-плакированных субстратов кремнезема, можно вычислить граничные значения для волокна на основе диоксида кремния. Однако, в отличие от объемной оптики, соответствующие площади поверхности и диаметры лучей, связанные с границей раздела сред воздух / стекло оптического волокна, очень малы, особенно в одномодовом (SM) волокне. Поэтому при заданной плотности мощности, падающая мощность не должна превышать меньшего диаметра пучка.
В таблице перечислены два порога плотности оптической мощности: теоретический порог повреждения и «практический безопасный уровень». В общем, теоретический порог повреждения представляет собой расчитанную максимальную плотность падающей мощности, не подвергая риску повреждение с очень хорошей поверхностью волокна и условиями сцепления. Плотность мощности «практического безопасного уровня» представляет значение, при котором риск повреждения волокна минимален. Возможно использовать приборы и за пределами практического безопасного уровня, но пользователю следует соблюдать соответствующие инструкции по эксплуатации и проверять работоспособность компонентов перед использованием.
|
Оценочная плотность оптической мощности на границе раздела сред «воздух / стекло» |
||
|---|---|---|
|
Тип излучения |
Теоретическое значениеb |
Безопасный уровень на практикеc |
|
CW лазер (Средняя мощность) |
~1 МВ/см2 |
~250 кВ/см2 |
|
10 нс импульсный лазер (пиковая мощность) |
~5 ГВ/см2 |
~1 ГВ/см2 |
а. Все значения указаны для волокна на основе двуокиси кремния без оконцовки. Поверхность волокна чистая.
b. Оценочная максимальная плотность мощности, которая может быть развита на конце волокна без риска повреждения. Проверка производительности и надежности волоконных компонентов перед работой на высокой мощности должна выполняться пользователем.
с. Оценочная безопасная плотность оптической мощности, которая может быть развита на конце волокна без риска его повреждения.
Расчет эффективной области многомодового и одномодового волокна
Эффективная область для одномодового (SM) волокна определяется диаметром модового поля (MFD). Это представляет собой площадь поперечного сечения, через которую свет распространяется в волокне; эта область включает в себя сердечник волокна, а также часть оболочки. Для достижения хорошей эффективности при соединении в одномодовое волокно диаметр входного луча должен соответствовать диаметру модового поля волокна.
В качестве примера: одномодовое волокно SM400 имеет диаметр модового поля около 3 мкм, работает с излучением длиной 400 нм, а модовое поле одномодового волокна SMF-28 Ultra, работающего с излучением 1550 нм, составляет 10,5 мкм. Эффективную площадь для этих волокон можно рассчитать следующим образом:
Волокно SM400: Area = Pi x (MFD/2)2 = Pi x (1.5 мкм)2 = 7.07 мкм2 = 7.07 x 10-8 см2
Волокно SMF-28 Ultra : Area = Pi x (MFD/2)2 = Pi x (5.25 мкм)2 = 86.6 мкм2 = 8.66 x 10-7 см2
Чтобы оценить уровень мощности, который может выдерживать волокно, плотность мощности умножается на эффективную площадь. Обратите внимание, что этот расчет предполагает однородный профиль интенсивности. Как известно, реально большинство лазерных лучей имеют гауссову форму профиля в одномодовом волокне, то есть более высокую плотность мощности в центре по сравнению с краями. Поэтому эти расчеты будут слегка завышать мощность, соответствующую порогу повреждения или безопасному уровню. Используя расчетные плотности мощности, предполагающие включение CW-источника, можно определить соответствующие уровни мощности так:
Волокно SM400 : 7.07 x 10-8 см2 x 1 МВт/см2 = 7.1 x 10-8 МВт = 71 мВт (Теоретический порог повреждения)
7.07 x 10-8 см2 x 250 кВт/см2 = 1.8 x 10-5 кВт = 18 мВт (Практический безопасный уровень)
Волокно SMF-28 Ultra : 8.66 x 10-7 см2 x 1 МВт/см2 = 8.7 x 10-7 МВт = 870 мВт (Теоретический порог повреждения))
8.66 x 10-7 см2 x 250 кВт/см2 = 2.1 x 10-4 кВт = 210 мВт (Практический безопасный уровень)
Эффективная площадь многомодового (ММ) волокна определяется диаметром сердечника, который обычно намного больше, чем модовое поле SM - волокна. Для оптимальной связи рекомендуется фокусировать луч на пятно, составляющим 70-80% от диаметра сердцевины. Большая эффективная площадь многомодовых волокон снижает плотность мощности на торцевой поверхности волокна, позволяя использовать более высокую оптическую мощность (как правило, порядка киловатт) без риска повреждений.
Повреждения, связанные c соединениями / разъемами
Волоконные кабели с оптическими разъемами вносят дополнительные требования к мощности. Наконечник из эпоксидной смолы и применяется для связывания волокна с керамическим или стальным концевиком. Когда свет проходит через разъем, излучение, не попадающее в сердечник, распространяется дальше и рассеивается во внешние слои волокна, а также воздействует на наконечник и эпоксидную смолу. Если свет достаточно интенсивный, эпоксидная смола может расплавиться. Это приводит к абсорбции на торцевой поверхности кабеля, что может сократить срок службы оборудования.
По нескольким причинам ущерб, связанный с абсорбцией эпоксидной смолы, зависит от длины волны - в основном свет рассеивается при меньших длинах волн. Несогласование при соединении также более вероятно из-за малого диаметра модового поля коротковолнового SM-волокна, который также производит больше рассеянного света.
Рисунок 7. График, показывающий приблизительные допустимые уровни мощности для одномодового волокна из диоксида кремния с оконцовкой. По горизонтали - предполагаемый уровень мощности из-за конкретного механизма повреждения. Максимальная допустимая мощность определяется минимальным уровнем мощности из всех соответствующих механизмов повреждения (обозначается сплошной линией)
Чтобы снизить риск расплавления эпоксидной смолы, волоконные соединители должны быть сконструированы таким образом, чтобы существовал свободный от эпоксидной смолы воздушный зазор между оптоволокном и наконечником вблизи торца волокна.
Расчет мощности при наличии множественных механизмов повреждения
Оптоволоконные кабели неустойчивы к повреждениям, поэтому максимальная мощность всегда ограничена минимальным порогом повреждения, который зависит от материала собственно волокна.
В качестве иллюстративного примера на графике приведены оценочные ограничения по мощности для одномодового волоконно-оптического кабеля вследствие повреждения торцевой части волокна и повреждения при подключении через оптический разъем. Суммарная мощность, выделявшаяся на участке волокна на заданной длине волны не превышает нижнего порога при любой длине волны (сплошная линия). У одномодового волокна, работающего на длине волны 488 нм, ограничение мощности связано с повреждением концевой части волокна (синяя сплошная линия). При работе с излучением длиной 1550 нм ограничение вызвано повреждением оптического разъема (красная сплошная линия).
У многомодового волокна эффективная область определяется диаметром сердечника, который превышает площадь рабочей моды одномодового волокна. Это приводит к меньшей плотности мощности на торцевой поверхности волокна и позволяет работать с большими оптическими мощностями, порядка киловатт, без риска повреждений (не проиллюстрировано на графике). Однако предельные значения мощности, необходимые для стабильной работы концевой части/ оптического разъема остается неизменными, а потому при расчете этот параметр необходимо учитывать.
Обратите внимание, что это приблизительные оценки уровней мощности, где ущерб очень маловероятен при правильной эксплуатации и должном выравнивании. Стоит отметить, что оптические волокна часто используются при уровнях мощности выше описанных здесь. Подобные эксперименты проводятся опытными пользователями; сначала волокно тестируют при меньшей мощности, чтобы минимизировать риск повреждения. При необходимости характеристики составляющих волокна также необходимо брать во внимание, особенно это важно при работе на высокой мощности.
Порог повреждения
Помимо внешних механизмов повреждения, описанных выше, существуют внутренние дефекты, затрудняющие эксплуатацию оптоволоконных кабелей. Внутренние дефекты присутствуют в волокне постоянно. Разделяют две категории повреждающих механизмов – внутренние изгибы и фотозатемнение.
Изгибы
Потери от изгибов происходят, когда волокно отклоняется от оси и создается точка, в которой свет, движущийся в сердечнике, падает на границу сердечника и оболочки под углом выше критического угла, после чего полное внутреннее отражение становится невозможным. Тогда свет выходит из волокна в этой ограниченной области. Свет, выходящий из волокна, обычно имеет высокую плотность мощности, повреждая тем самым покрытие, а также любые окружающие фуркационные трубки.
Специальная категория оптического волокна, называемая двуслойным волокном, может уменьшить риск подобных повреждений, так как оболочка волокна (2-й слой) действует как дополнительный волновод. Когда угол на границе оболочки и покрытия становится выше критического угла на границе сердцевины и оболочки, свет, который выходит из ядра, слабо ограничен в оболочке. Затем излучение проходит некоторое расстояние, вместо того, чтобы попадать внутрь пятна, что минимизирует риск повреждения.
Снижение пропускания
Второй механизм повреждения, называемый снижением пропускания или соляризацией, может возникать в оптических волокнах, эксплуатируемых с ультрафиолетовым или коротковолновым видимым светом, особенно с легированными германием сердечниками. Волокна, работающие с излучением данных длин волн, будут испытывать дегенеративные изменения с течением времени. Механизм, который вызывает соляризацию, в значительной степени неизвестен, но для послабления эффекта разработано несколько конструкций волокон. Например, было обнаружено, что волокна с очень низким содержанием гидроксильного иона (OH-) более устойчивы к соляризации, а использование других легирующих добавок, таких как фтор, позволит уменьшить затухание.
Даже при использовании вышеописанных методов все волокна в конечном итоге испытывают дегенеративные изменения при работе с ультрафиолетовым или коротковолновым светом.
Подготовка и установка оптоволоконных кабелей
Правила чистки и общее руководство к эксплуатации
Правила, приведенные ниже, универсальны и подходят для любых оптоволоконных компонентов. Конечно, необходимо соблюдать особые правила эксплуатации, если об этом сказано в инструкции. Порог повреждения рассчитывается только после тщательной чистки и подготовки оборудования.
Рекомендации по использованию волокна при высокой оптической мощности
Оптические волокна и волоконные компоненты эксплуатируются в пределах допустимых уровней мощности, но в идеальных условиях (тщательное выравнивание и чистые торцы) допустимая мощность излучения, проходящего через прибор, может быть увеличена. Пользователю необходимо проверять производительность и стабильность волоконного компонента системе перед увеличением входной или выходной мощности и соблюдать все необходимые инструкции по безопасности и эксплуатации. Приведенные ниже советы полезны при проведении исследований, предполагающих увеличение оптической мощности.
© Thorlabs Inc.
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ
В работе предлагается технология производства источников неразличимых фотонов в телекоммуникационном С-диапазоне на основе эпитаксиальных полупроводниковых квантовых точек. Новая методика позволяет детерминировано интегрировать квантовые излучатели в микрорезонаторы из кольцевых брэгговских решёток.
В статье описывается адаптация научной КМОП камеры Tucsen с обратной засветкой с целью улучшения возможностей регистрации когерентного рассеяния мягкого рентгеновского излучения.
В работе представлено два возможных варианта использования источников суперконтинуума: в качестве источника зондирующего излучения для оптической когерентной томографии и в качестве источника возбуждения для флуоресцентной кросс-корреляционной спектроскопии.
В работе реализован протокол BB84 с твердотельным источником одиночных фотонов на основе атомарно тонких слоев WSe2, выделяющийся простотой изготовления и настройки свойств. Система конкурентоспособна в сравнении с передовыми решениями, а с внедрением улучшений в виде микрорезонаторов может превзойти их.
В статье описывается метод широкопольной квантовой микроскопии с пространственным разрешением 1,4 мкм, основанный на схеме с симметричными плечами холостых и сигнальных фотонов. Преимущества метода: высокие скорость, отношение сигнал/шум и устойчивость к рассеянному свету в сравнении с аналогичными методами квантовой визуализации.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
