ОПТИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ЛЕКЦИЯ №6

Оптоволоконные информационные технологии

Астапенко В.А., д.ф.-м.н.1

Оптоволоконные ИТ

2

• Волоконный световод: свойства, производство применение;

• Элементы волоконно-оптических систем, линии связи;

• Волоконные сенсоры и системы;

• Оптоволоконные лазеры;

• Оптоволокно на фотонных кристаллах

Принцип работыПринцип работы оптоволокна

3

Немного истории

В 1958 году американцы Артур Шавлов и Чарльз Г. Таунс, и независимо советские физики Прохоров и Басов разработали лазер

1970 Компания Corning изобретает световод с малыми потерями (менее 20 дБ/км)

1972 Потери снижены до 4 дБ/км

1979 Потери менее 0.2 дБ/км вблизи длины волны излучения 1.55 мкм

1988 Первый трансатлантический кабель

4

Применение

1. Оптическая связь2. Передача света и мощного излучения3. Передача изображения (эндоскопы)4. Волоконные источники когерентного

излучения5. Датчики и сенсорные системы

5

Преимущества волоконных линий связи

• Высокая скорость передачи информации по каналу (до 160 Гб/сек)

• Высокое число каналов и общая скорость передачи (до нескольких Тбит/сек)

• Нечувствительность к различного рода электромагнитным полям

• Высокая защищенность информации

6

Уплотнение каналов по времени OTDM (Optical Time Division Multiplexing)

Спектральное уплотнение каналов (WDM):

2-х канальное WDM

CWDM (Coarse WDM - до 18 каналов в диапазоне 1271-1611 нм)

DWDM (Dense WDM - до 160 каналов (разделение по каналам до 25 ГГц, диапазон 1530-1565 нм)

Методы уплотнения каналов

7

8

В стандартном волокне оболочка состоит из нелегированного кварцевого стекла.

Для повышения показателя преломления сердцевины стекло легируют (внедряют в структуру в процессе производства) добавки. В телекоммуникационных световодах для этих целей используется германий, входящий в стекло в виде оксида GeO2. Технология именно таких световодов сейчас доведена практически до совершенства на промышленном уровне.  В качестве защитного покрытия используются полимерные оболочки на основе акрилата. Для специальных, часто высокотемпературных применений, световод может быть покрыт другими составами, такими как полиамид или, даже, металл.

Материал волноводных компонентов

Синтез заготовок•Vapour Axial Deposition (VAD)

•Outside Vapour Deposition (OVD)

•Modified Chemical vapour Deposition (MCVD)

•Plasma Chemical Vapour Deposition (PCVD)

•Plasma Outside Deposition (POD)

•Surface Plasma Chemical Vapour Deposition (SPCVD)

•Rod-In-Tube9

Синтез заготовок

2224

2224

2

2

ClGeOOGeCl

ClSiOOSiCl

10

Технология MCVD

11

Вытяжка волокон

12

Основные характеристики

1. Количество мод световода, диаметр сердцевины, длина волны отсечки

2. Числовая апертура, изгибные потери3. Оптические потери4. Межмодовая и хроматическая

дисперсия

13

Структура волоконного световода

1. Сердцевина2. Оболочка3. Защитное покрытие4. Оболочка кабеля 14

Различные режимы работы

15

22sin oc nnNA

Числовая апертура и V параметр

2 22c o

rV n n

Для ступенчатого профиля показателя преломления, волоконный световод является одномодовым, когда V<2.405

16

Волноводный параметр

Условие одномодового режима (мода HE11)V < 2,4048

Количество мод: Для ступенчатого световода: N = V2/2Для градиентного световода: N = V2/4

2 22c o

rV n n

17

LI

I

1

0log10

Диапазоны прозрачности оптоволокна

18

Кривые дисперсии (а) и поглощения (б) диэлектрика с двумя резонансными частотами

Материальная дисперсия

19

22 0

2 20 0

4' 1 ;k

k k k

fe Nn

m i

Материальная дисперсия

20

0,1 0,08 0,05 0,03

0,01

0,3 0,5 0,8 1,0

0,8 1,2 1,0 1,4 1,6 , m

, nskm-1

Пример зависимости уширения импульса в германосиликатном световоде (а) и материальной дисперсии стекла сердцевины (б)

от длины волны [1].

б)

0,8 1,2 1,0 1,6

, m

M, nsnm-1km-1

160

80

0

-80

а)

21

E

n0 n1 n0

Пример распределения поля E в ВС

сердцевина оболочка

Волноводная дисперсия

22

Потери в оптическом волокне

23

Измерение потерь в волокне методом «облома» или «обрыва»

24

Волокна с сохранением поляризации (PM – Polarization Maintaining fibers)

25

Отражатель Брэгга(одномерный фотонный кристалл)

Спектр отражения электромагнитного излучения от брэгговского отражателя (1я (левая) четверть рисунка). Профиль поля электромагнитной волны в толще брэгговсого отражателя (вставка). Дисперсионная зависимость для света в брэгговском отражателе (2я четверть рисунка). Тонкой линией показана дисперсия свободного фотона. Спектральная зависимость мнимого волнового вектора в области фотонной запрещенной зоны (3я четверть рисунка). Спектр плотности фотонных состояний в брэгговском отражателе (4я четверть рисунка)

1 1 2 21 2

n d n dD d d n

D

22k k n

D c

nD

с

dndn

с

22110

26

27

Механизмы распространения света в стандартном оптоволокне и в световодах на основе фотонных

кристаллов

Основные типы волоконно-оптических датчиков(по построению)

Точечные

Распределенные

Квази-распределенные

28

• Большая длина контролируемого участка при относительно хорошем пространственном разрешении (например, по температуре контроль 1 0С с точностью 1 метр при общей дистанции 10 км!)

• Полностью распределенный датчик, позволяющий фиксировать изменения в любой точке контролируемого объекта

• Преимущества

• Относительно невысокая чувствительность

• Недостатки

• Сложность построения для контроля параметров

Распределенные ВО датчики

• Высокая стоимость и громоздкость анализирующей аппаратуры

29

• Основные области применения

• распределенные датчики давления

• Контроль температуры и напряжений

• Датчики радиации, счетчики фотонов

• датчики магнитного и электрического полей

Распределенные ВО датчики

• Химические детекторы (в основном применяются полимерные волокна).

30

Распределенные ВО датчикиРэлеевское рассеяние, рефлектометр

(OTDR – optical time domain reflectometer)

Наиболее универсальный из распределенных датчиков

31

Рамановское (комбинационное) рассеяние

32

Распределенные ВО датчики

Рамановский датчик температуры

В схемах оценивается отношение интенствностей стоксовой и антистоксовой компонент, хотя существуют схемы по

измерению абсолютной величины антистокса33

Датчики на внутриволоконных решетках

волокно

УФ излучение

-1 порядок +1 порядок

диафрагма

Фазовая маска

Брэгговские решетки

nB 2

Датчики на внутриволоконных решеткахБрэгговские решетки

35

Области применения высокотемпературного датчика

Нефтяная и газовая проышленность

Атомные и тепловые станции

Высокотемпературный брэгговский волоконный

датчикАвиация и

космическая промышленность

Печи и сушильные установки

Турбины и двигатели

Инженерные сооружения

36

37

Волоконно-оптические «нервные» системы

38

Амплитудный волоконно-оптический датчик «внешнего» типа

Интерференционные ВО датчики

Интерферометр Маха-Цандера

Интерферометр Майкельсона

Интерферометр Фабри-Перо

Эффект Саньяка, интерферометр Саньяка

Кольцевой резонатор

Низкокогерентная интерферометрия

39

Интерференционные ВО датчики

Интерферометр Маха-Цандера

Интерферометр Майкельсона

40

Волоконно-оптические компоненты

41

Сварочный аппарат

42

Оптические разветвители

43

Волоконный лазер

44

Волоконный лазер с двойной оболочкой

GTWave-технология 45

Упрощенная схема уровней Er3+

46

Уровни Эрбия-Иттербия

47

Спектр усиления тулиевого волокна

48

Висмут как перспективный материал

49