Волоконная оптика
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Волоконная оптика - под этим термином понимают
- раздел оптики, который изучает физические явления, возникающие и протекающие в оптических волокнах, либо
- продукцию отраслей точного машиностроения, имеющую в своем составе компоненты на основе оптических волокон.
К волоконно-оптическим приборам относятся лазеры, усилители, мултиплексоры, демультиплексоры и ряд других. К волоконно-оптическим компонентам относятся изоляторы, зеркала, соединители, разветвители и др. Основой волоконно-оптического прибора является его оптическая схема - набор волоконно-оптических компонент, соединенных в определённой последовательности. Оптические схемы могут быть замкнутые или разомкнутые, с обратной связью или без нее.
Содержание |
[править] Оптические схемы волоконно-оптических приборов
[править] Лазер
На рис.1 показана простейшая схема волоконно-оптического лазера. Буквами обозначены: А – активное волокно, Д – диод накачки, М1 и М2 – зеркала. Как и в случае обычных лазеров, здесь мы имеем резонатор с активной средой, образованный активным волокном и зеркалами. Зеркала обеспечивают обратную связь. Одно из зеркал может иметь 100%-ное отражения. Тогда излучение будет выходить только из противоположного конца резонатора. Диодов накачки может быть несколько, а располагаться они могут с разных сторон резонатора.
[править] Усилитель
На рис.2 показана простейшая схема волоконно-оптического усилителя. Она схожа со схемой лазера за тем лишь исключением, что зеркала заменены изоляторами для подавления обратной связи. Изоляторы пропускают свет только в одном направлении.
[править] Устройство волоконно-оптических компонент
[править] Зеркала и фильтры
Зеркалом называется компонент, отражающий излучение определенной частоты с определенным коеффициентом отражения. Фильтр, в свою очередь, пропускает излучение определенной частоты, как правило, в узком частотном диапазоне, а остальное излучение поглощает или рассеивает. Для изготовления зеркал и фильтров используются дифракционные решетки, нанесенные на участок сердцевины волокна. Аналог штриха выполняет ультрафиолетовая засветка, которая изменяет свойства волокна в месте облучения. Одна и та же дифракционная решетка для разных частот сигнала будет либо зеркалом, либо фильтром.
[править] Изоляторы
Изоляторы пропускают излучение только в одном направлении. В электричестве их аналогом являются диоды. Оптические изоляторы работают на эффекте Фарадея и не являются полностью волоконными. Рабочая область изолятора представляет собой два поляризатора и ячейка Фарадея (магнит с вложенным в него специальным кристаллом). В полости магнита, а следовательно и в кристалле, создается магнитное поле, которое поворачивает поляризацию проходящего излучения на 45 градусов. Оси поляризаторов также повернуты на угол 45 градусов относительно друг друга. Благодаря этому излучение в одном направлении проходит беспрепятстенно (и при этом еще становится линейно поляризованным), а в другом направлении не проходит, т.к. задерживается выходным поляризатором. Вход и выход изолятора выполнены в виде участков оптического волокна, чтобы данный компонент можно было использовать в оптических схемах. Для улучшения характеристик изолятора после выхода из волокна и перед входом в другое волокно ставятся линзы, которые делают пучок параллельным, что значительно уменьшает потери.
[править] Соединители и Разветвители
Представляют собой два параллельных волокна, лишенные оболочки и соприкасающиеся между собой. Соприкосновение и фиксация волокон достигается при высоких температурах - выше температуры плавления волокна. Таким образом, участки волокон сплавляются воедино. В зависимости от длины общего участка в результате интерференции волн можно получить произвольный коэффициент деления выходного сигнала по двум выходным волокнам.
[править] Активное волокно
Волокно, способное усиливать или генерировать сигнал определенной частоты. Это достигается введением в кварцевое волокно редкоземельных примесей в зависимости от требуемой частоты усиления. Так, иттербиевые (Yb) примеси примеси дают усиление на длинах волн 1.06 и 1.3 мкм, а эрбиевые (Er) на длине волны 1.5 мкм. Пик усиления определяется пиком прозрачности той или иной примеси.
[править] Пассивное волокно
Волокно, не обладающее свойствами усиления. Используется для соединения волоконно-оптических компонент между собой, а также для увеличения общей протяженности оптической схемы, если это необходимо.
[править] Диоды накачки
Как и в случае обычных лазеров для начала усиления и генерации необходима накачка активной среды. Для накачки активных волокон используют полупроводниковые лазерные диоды. На выходе из полупроводникового кристалла лазерный пучок коллимируют и вводят в волокно. Выбор длины волны диодов накачки обусловлен пиками поглощения активных волокон, которые приходятся на узкие диапазоны в районах 0.81 мкм, 0.98 мкм и 1.48 мкм. Для иттербиевых волокон наиболее эффективна накачка в диапазоне 0.95-0.98 мкм. Глядя на отношение длин волн накачки и сигнала можно определить максимально возможный КПД лазеров и усилителей. Для иттербиевых волокон он будет 0.95:1.06=90%. На практике, КПД, конечно оказывается ниже.
[править] Нелинейные эффекты в оптических волокнах
[править] Генерация 2й гармоники
При достаточной мощности излучения в оптическом волокне происходит удвоение частоты излучения. Так, в иттербиевых волокнах, работающих на длине волны 1.06 мкм генерация второй гармоники приводит к появлению излучения с длиной волны 0.53 мкм. Это излучение находится в видимом диапазоне и представляет собой изумрудно-зеленый свет.
[править] Ссылки
Оптоволокно: неразъемные соединения
