Волоконная оптика
Волоко́нная о́птика — под этим термином понимают:
- раздел оптики, который изучает физические явления, возникающие и протекающие в оптических волокнах, либо
- продукцию отраслей точного машиностроения, имеющую в своём составе компоненты на основе оптических волокон.
К волоконно-оптическим приборам относятся лазеры, усилители, мультиплексоры, демультиплексоры и ряд других. К волоконно-оптическим компонентам относятся оптические изоляторы, зеркала, соединители, разветвители и др. Основой волоконно-оптического прибора является его оптическая схема — набор волоконно-оптических компонентов, соединённых в определённой последовательности. Оптические схемы могут быть замкнутые или разомкнутые, с обратной связью или без неё.
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 (обычно используют диэлектрические зеркала) может иметь ~100%-ное отражение. Тогда излучение будет выходить только из противоположного конца резонатора[1]. Диодов накачки может быть несколько, а располагаться они могут с разных сторон резонатора[2].
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.
Устройство волоконно-оптических компонентов
Зеркала и фильтры
Зеркалом называется компонент, отражающий излучение определённой частоты с определённым коэффициентом отражения[3][4][5]. Фильтр, в свою очередь, пропускает излучение определённой частоты, как правило, в узком частотном диапазоне, а остальное излучение поглощает или рассеивает. Для изготовления зеркал и фильтров используются дифракционные решётки[6], нанесённые на участок сердцевины волокна. Аналог штриха выполняет ультрафиолетовая засветка, которая изменяет свойства волокна в месте облучения. Одна и та же дифракционная решётка для разных частот сигнала будет либо зеркалом, либо фильтром. На основе длиннопериодных волоконных решёток могут создаваться широкополосные фильтры, поглощающие в определённом диапазоне длин волн.
Объединители и разветвители
Представляют собой два параллельных волокна, лишённые 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.
Объединители и разветвители могут также строиться на элементах микрооптики, включая микролинзы и частично-прозрачные зеркала с заданным коэффициентом деления.
Известны конструкции 1980-х гг. со сполированными до световедущей жилы и механически соединёнными волокнами. Однако наиболее распространены сплавные.
Активное волокно
Волокно, способное усиливать или генерировать сигнал определённой частоты. Это достигается введением в кварцевое волокно редкоземельных металлов в зависимости от требуемой частоты усиления. Так, иттербиевые (Yb) примеси дают усиление на длине волны 1,06 мкм, а эрбиевые (Er) на длине волны 1,5 мкм. Пик усиления определяется пиком прозрачности той или иной примеси[7].
Пассивное волокно
Волокно, не обладающее свойствами усиления. Используется для соединения волоконно-оптических компонентов между собой, а также для увеличения общей протяжённости оптической схемы, если это необходимо[8].
Диоды накачки
Как и в случае обычных лазеров, для начала генерации и усиления оптического излучения 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.
Опираясь 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.
См. также
Примечания
- ↑ Коломийцов Ю. В. Интерферометры : основы инженерной теории, применение. — Л.: Физматлит, 1976.
- ↑ Звелто О. Принципы лазеров. — 4-е. — СПб.: Лань, 2008.
- ↑ Бутиков Е. И. Оптика : учебное пособие для вузов.. — 2-е изд., перераб. и доп.. — СПб.,: БХВ-Петербург : Невский ДиалектЪ, 2003.
- ↑ Ландсберг Г. С. Оптика : учебное пособие для вузов.. — 6-е изд., стер.. — М.: Физматлит, 2003.
- ↑ Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука, 1973.
- ↑ Апенко М. И. Прикладная оптика. — – 2-е изд. — М.: Наука, 1982.
- ↑ Тидекен Р. Волоконная оптика и ее применение. — М.: Мир, 1975.
- ↑ Мидвинтер Д. Э. Волоконные световоды для передачи информации. — М.: Радио и связь, 1983.
Литература
- Бейли Д., Райт Э. Волоконная оптика: теория и практика. Пер. с англ. — М.: «КУДИЦ-ПРЕСС», 2008. — С. 320. — ISBN 978-5-91136-048-1.
- Коломийцов Ю. В. Интерферометры : основы инженерной теории, применение. — Л. : Физматлит, 1976.
- Апенко М. И., Дубовик А. С. Прикладная оптика. — М. : Наука, 1982.
- Запрягаева Л. А. Прикладная оптика. Ч. 1. Введение в теорию оптических систем. — М. : Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъёмки и картографии, 2017.
- Ландсберг Г. С. Оптика : учебное пособие для вузов. — М. : Физматлит, 2003.
- Бутиков Е. И. Оптика : учебное пособие для вузов. — СПб. : БХВ-Петербург : Невский ДиалектЪ, 2003.
Ссылки