Волоконная оптика

Волоконная  оптика.

Волоконная оптика возникла в 50-х  годах прошлого века как раздел оптики, изучающий свойства и применения стеклянных волоконных световодов. Поглощение света в световодах было высоким (~1000 дБ/км  и более). Создание волоконных лазеров – одно из наиболее ярких достижений квантовой электроники.

Появление лазеров в начале 1960-х годов вызвало интенсивные исследования возможности передачи информации с помощью лазерного излучения через свободную атмосферу. Однако уже первые эксперименты показали, что она не является подходящей средой для передачи оптической информации на большие расстояния.

В 1966 г. Као и Хокхэм рассмотрели возможность использования стеклянных волоконных световодов в качестве передающей среды в системах оптической связи с точки зрения достижения достаточно низких оптических потерь и высокой информационной емкости.

Оптические потери в световодах были снижены до предельно возможного значения менее 1 дБ/км в спектральном диапазоне 1-1.7 мкм. В 1980 г. были введены в эксплуатацию первые коммерческие волоконно-оптические системы связи, работающие в спектральном диапазоне 0.8-0.9 мкм и передающие информацию со скоростью 45 Мбит/с.

В волоконно-оптических системах связи  следующего поколения использовалось лазерное излучение с длиной волны 1.31 мкм, которая попадала в область  близкой к нулю дисперсии световодов на основе кварцевого стекла. Это позволяло  передавать информацию со скоростью 500 Мбит/с. В современных волоконно-оптических системах связи, как правило, используется спектральная область вблизи длины волны 1.55 мкм, где оптические потери имеют абсолютный минимум (~0.16 дБ/км).

В 1988 г. была проложена подводная трансатлантическая система волоконно-оптической связи между Европой и Америкой. Успешная прокладка и последующая работа продемонстрировали надежность всех элементов и системы в целом.

2.Основные применения  волоконных световодов.

- волоконно-оптическая связь;

- волоконные лазеры;

- волоконные датчики.

Кроме того, волоконные световоды широко используются для подвода лазерного излучения к различным объектам, в частности при обработке материалов, в медицине, а также в биологических, физических, химических и других экспериментах.

2.1. Волоконно-оптическая  связь.

 Волоконно-оптическая связь  была главной движущей силой  при создании стеклянных волоконных  световодов с низкими оптическими потерями а в ближней ИК области спектра (α ≤ 0.3 дБ/км в диапазоне длин волн 1.35- 1.75 мкм, αmin ≤ 0.2 дБ/км на ʎ = 1.55 мкм).

С 1980 г., когда были введены в эксплуатацию коммерческие волоконно-оптические системы связи, сменилось пять поколений этих систем. В настоящее время скорость передачи информации по одному волоконному световоду в коммерческих системах связи, в том числе в транс­ океанских подводных системах, составляет 1-2 Тбит/с, В экспериментальных системах достигнута скорость передачи информации 25 Тбит/с, Используется спектральное уплотнение каналов с передачей по одному волокон­ ному световоду порядка 100 каналов с различающимися длинами волн несущего излучения.

Все континенты связаны подводными волоконно-оптическими кабелями связи, общая длина которых составляет 600 000 км (достаточно, чтобы обмотать земной шар 15 раз) За последние несколько лет возникло и бурно развивается новое направление волоконно-оптических систем связи - обеспечение широкополосного (до 10 Гбит/с) до­ ступа населения к источникам информации (к Интерне­ ту). В ряде стран интенсивно выполняется программа «Волоконный световод в каждый дом» (Fiber То The Ноте (FТТН)).

Динамика роста числа домов (семей), охваченных этой программой, показана на рис.2. Лидирует Япония, где к 2008 г. световод пришел в 15 млн. домов. Эта программа успешно реализуется в США и Южной Корее, а в последнее время и в Китае. Европейские страны заметно отстают, что сильно беспокоит Евросоюз, поскольку эта программа имеет большое социальное значение. Массовое подключение к Интернету означает обеспечение на­ селения дополнительными социальными услугами, включая телеобразование, телемедицину, телеработу и ряд других. В настоящее время Интернетом пользуется 1 миллиард человек, и ожидается, что к 2015 г. это число воз­ растет до ~ 5 миллиардов (при численности населения Земли около 7 миллиардов).

 

 

 

2.2. Волоконные лазеры

Лазерное волокно длиной  в  несколько десятков метров, как правило, состоит из двух волокон: центрального и внутреннего.

Рис А. Внутреннее волокно 1, заполненное активной средой (например, иттербий), имеет диаметр в 6-8 мкм и находится внутри кварцевого (центрального) волокна 2 диаметром  400-600 мкм. Внутренние стенки волокна покрыты светоотражающей поверхностью, поэтому движущийся поток квантов претерпевает многократное отражение.

Сталкиваясь между собой кванты, выбивают фотоны и ионы редкоземельных элементов, которые усиливают суммарный  поток света. Все световые волны, многократно отражаясь, накладываются, тем самым, образуя стоячую волну. Так как сечение центрального волокна имеет малый диаметр, а само волокно имеет огромную длину, то для компактности волокно  можно навить на какой либо объект. Главное преимущество волокна –  это низкая потеря энергии излучения.

1           2         3         4

Рис А.

1 - сердцевина, легированная редкоземельным  элементом; 2 - кварцевое волокно;

 

3 - полимерная оболочка; 4 - внешнее  защитное покрытие.

1. Накачка.

В волоконном же лазере накачка проводится диодами с одномодовым излучением.

2. Конструкция и принцип работы

Мощность волоконного лазера, применяемого для технологических целей, должна составлять от 100 Вт до 4…6кВт. Излучение  такой мощности получают сочетанием многокаскадного усиления в волокнах с набором мощности излучения  от нескольких лазеров с меньшей  мощностью. Волоконный лазер со ступенчатым  усилением показан на рис С.

Рис С. Схема многокаскадного усиления в волокнах путем набора мощности излучения от нескольких лазеров с меньшей мощностью

1– задающий волоконный лазер; 2 – соединяющее световое волокно; 3 – изолятор;

4 – мощный усиливающий волоконный  лазер первой ступени; 5 - мощный  усиливающий волоконный лазер  второй ступени; 6 – лазерный луч; 7 – светодиоды;

8 – фокусирующие системы светодиодов.

Для получения мощностей 2, 4, 6 и 10 кВт  создают блочные системы, в которых  излучение отдельных одномодовых волоконных лазеров 1 мощностью 100 Вт собирается в одном волокне 3. И после прохождения через фокусирующую систему 4 лазерный луч попадает на обрабатываемую деталь 5. Схема такого волоконного лазера приведена на рис D.

Рис D. Схема мощного волоконного лазера

1 – волоконные лазеры мощностью  100 Вт; 2 – мощный волоконный лазер;

3 – волокно, передающее суммированное  излучение; 4 – фокусирующая система;

5 – обрабатываемая деталь

Набор одномодовых излучений обеспечивает суммированное излучение, близкое к одномодовому. Особенностью волоконных лазеров является то, что они работают только в непрерывном режиме, так как волокно не может выдерживать гигантские импульсы излучения. При длине волны 1,06 мкм такое излучение весьма эффективно при обработке различных материалов и в совокупности с простотой и надежностью волоконного лазера делает всю систему наиболее целесообразной для технологического применения.

.

3. Основные преимущества волоконных лазеров

Разделим их на три группы: оптические, энергетические и технологические.

Энергетические:

- у волоконного лазера высокий КПД источника h=35

 возможность создания излучателей  высокой мощности до 100кВт путем  объединения излучений нескольких  волоконных лазеров в одно.

- малая теплоотдача

Технологические:

- для волоконных лазеров практически  не требуется такое техническое  обслуживание, как настройка, юстировка,  чистка и др.

- допускает размещение в обычных  рабочих помещениях цехов без  учета специальных требований.

- компактность установок обусловлена  тем, что лазер может занимать  удобное для работы месторасположение.

- возможность передачи излучения  по световоду.

- срок работы до 100000 часов, так  как большой нагрузки диоды  и волокно не испытывают.

- отсутствие настроечных операций  на лазере.

- стеклянная оптика (использование  стеклянных фокусирующих линз) позволяет  снизить затраты на фокусирующую  систему.

- высокая эффективность проплавления.

2.3. Волоконные  датчики

В настоящее время разработаны и широко используются волоконные датчики температуры, давления, деформаций, химических веществ, волоконные гироскопы и ряд других. Основными преимуществами волоконных датчиков являются невосприимчивость к электромагнитным помехам, сочетаемость с волоконно-оптическими системами передачи и обработки информации, компактность, хорошо разработанная элементная база.

В последние годы большое внимание уделяется разработке распределенных волоконных датчиков, прежде всего датчиков температуры, давления и деформаций, которые позволяют контролировать состояние таких объектов, как здания, мосты, плотины, корпуса кораблей и самолетов и др. (рис.7).

Такие распределенные волоконные датчики часто называют в литературе волоконно-оптическими «нервны­ ми» системами (по аналогии с нервной системой чело­ века).

3. Перспективы  развития волоконной оптики.

Известно, что в настоящее время Интернет потребляет больше энергии, чем вся авиация в мире. Эта энергия идет на преобразования в волоконно-оптических сетях связи оптических сигналов в электронные и обратно в оптические. Решение здесь очевидное, но не простое полностью оптическая обработка сигналов

На рис.8 представлены механизмы распространения света в обычных световодах (полное внутреннее отражение) и в световодах на основе фотонных кристаллов с одномерной (так называемые брэгговские световоды) и двумерной структурами оболочки. В волоконных световодах на основе фотонных кристаллов показатель преломления сердцевины может быть меньше среднего показателя преломления оболочки, т. е. свет может распространяться по воздушной сердцевине. Волоконные световоды с воздушной сердцевиной представляют большой интерес благодаря возможности достижения более низких оптических потерь и меньшей нелинейности, чем у существующих телекоммуникационных световодов. В настоящее время изготовлены волоконные световоды с воздушной сердце­ виной с минимальными оптическими потерями 1.7 дБ/км. Спектр оптических потерь такого световода показан на рис.9. Спектральные области низких оптических потерь соответствуют фотонным запрещенным зонам оболочки. Для выяснения механизмов оптических потерь в таких световодах и их снижения необходимы дальнейшие фундаментальные исследования.

В настоящее время во многих научных  центрах мира проводятся интенсивные исследования по созданию волоконных световодов на основе фотонных кристаллов. Нет сомнения, что уже в недалеком будущем они найдут широкое коммерческое применение.

Используемая  литература:

Журнал: "Квантовая электроника".

Электронное научно-техническое  издание  “Наука и образование”

Журнал: “Успехи физических наук”