Волоконна оптика

Волоконна оптика - під цим терміном розуміють

До волоконно-оптичним приладам ставляться лазери, підсилювачі, мультиплексори, демультиплексори і ряд інших. До волоконно-оптичним компонентів відносяться ізолятори, дзеркала, з'єднувачі, розгалужувачі та ін Основою волоконно-оптичного приладу є його оптична схема - набір волоконно-оптичних компонентів, з'єднаних в певній послідовності. Оптичні схеми можуть бути замкнуті або розімкнуті, зі зворотним зв'язком або без неї.


1. Оптичні схеми волоконно-оптичних приладів

Оптичні схеми волоконно-оптичного лазера і підсилювача

1.1. Лазер

На рис.1 показана найпростіша схема волоконно-оптичного лазера. Літерами позначені: А - активне волокно, Д - діод накачування, М1 і М2 - дзеркала. Як і у випадку звичайних лазерів, тут ми маємо резонатор з активною середовищем, утворений активним волокном і дзеркалами. Дзеркала забезпечують зворотний зв'язок. Одне з дзеркал може мати 100%-ве відображення. Тоді випромінювання буде виходити тільки з протилежного кінця резонатора. Діодів накачування може бути декілька, а розташовуватися вони можуть з різних сторін резонатора.


1.2. Підсилювач

На рис.2 показана найпростіша схема волоконно-оптичного підсилювача. Вона схожа зі схемою лазера за тим лише винятком, що дзеркала замінені ізоляторами для придушення зворотного зв'язку. Ізолятори пропускають світло тільки в одному напрямку.

2. Пристрій волоконно-оптичних компонентів

2.1. Дзеркала й фільтри

Дзеркалом називається компонент, що відображає випромінювання певної частоти з певним коефіцієнтом відбиття. Фільтр, в свою чергу, пропускає випромінювання певної частоти, як правило, у вузькому частотному діапазоні, а решту випромінювання поглинає або розсіює. Для виготовлення дзеркал і фільтрів використовуються дифракційні грати, нанесені на ділянку серцевини волокна. Аналог штриха виконує ультрафіолетова засвітка, яка змінює властивості волокна в місці опромінення. Одна і та ж дифракційна решітка для різних частот сигналу буде або дзеркалом, або фільтром. На основі длінноперіодних волоконних грат можуть створюватися широкосмугові фільтри, які поглинають в певному діапазоні довжин хвиль.


2.2. Об'єднувачі і Розгалужувачі

Являють собою два паралельних волокна, позбавлені оболонки і стикаються між собою. Зіткнення і фіксація волокон досягається при високих температурах - вище температури плавлення волокна. Таким чином, ділянки волокон сплавляються воєдино. У залежності від довжини спільної ділянки в результаті інтерференції хвиль можна отримати довільний коефіцієнт розподілу вихідного сигналу по двом вихідним волокнах.

Об'єднувачі та розгалужувачі можуть також будуватися на елементах мікрооптікі, включаючи мікролінзи і частково-прозорі дзеркала із заданим коефіцієнтом ділення.

Відомі конструкції 1980-х рр.. зі сполірованнимі до световедущей жили і механічно з'єднаними волокнами. Проте найбільш поширені сплавні.


2.3. Активне волокно

Волокно, здатне підсилювати або генерувати сигнал певної частоти. Це досягається введенням в кварцове волокно рідкоземельних металів у залежності від необхідної частоти підсилення. Так, іттербіевие ( Yb) домішки дають посилення на довжинах хвиль 1,06 і 1,3 мкм, а ербіевие ( Er) на довжині хвилі 1,5 мкм. Пік посилення визначається піком прозорості тієї чи іншої домішки.

2.4. Пасивне волокно

Волокно, не володіє властивостями посилення. Використовується для з'єднання волоконно-оптичних компонентів між собою, а також для збільшення загальної протяжності оптичної схеми, якщо це необхідно.

2.5. Діоди накачування

Як і у випадку звичайних лазерів для початку посилення і генерації необхідна накачування активного середовища. Для накачування активних волокон використовують напівпровідникові лазерні діоди. На виході з напівпровідникового кристала лазерний пучок колліміруют і вводять в волокно. Вибір довжини хвилі діодів накачування обумовлений піками поглинання активних волокон, які припадають на вузькі діапазони в районах 0.81 мкм, 0.98 мкм і 1.48 мкм. Для іттербіевих волокон найбільш ефективна накачування в діапазоні 0.95-0.98 мкм.

Дивлячись на ставлення довжин хвиль накачування і сигналу можна визначити максимально можливий ККД лазерів і підсилювачів. Для іттербіевих волокон він буде 0.95:1.06 = 90%. На практиці, ККД, звичайно виявляється нижче.