СПРАВКИ                    

   
         

         Главная

          Статьи

       Стандарты    

    Сертификация

       Отдохните

 

 

 

 

 

   Специальные оптические волокна

    Подавляющее большинство оптических волокон для телекоммуникаций поступающих на мировой рынок – волокна соответствующие международным стандартам: ITU T Recommendation G.652 - G.656. Объем рынка остается довольно большим, несмотря на труднопредсказуемые временные замедления его роста. На фоне этих временных колебаний приятным исключением является уверенный рост (хотя и не в большом объеме) рынка специальных оптических волокон. Производители отмечают растущий интерес к специализированным волокнам для применения в оптических компонентах. Известная консалтинковая фирма ElectroniCast предсказывает, что мировое потребление специальных оптических волокон будет расти. Многие производители специальных оптических волокон расширяют свою клиентуру в сфере биомедицины, авиации и в военных отраслях. Другие производители видят больше возможностей для специальных оптических волокон в применении в датчиках и волоконно-оптических гироскопах. Тем не менее применение специальных оптических волокон в системах связи достигло более существенного прогресса и обещает еще не мало новых возможностей. Уже сейчас становится ясно, что в любом варианте дальнейшего развития специальные оптические волокна будут использоваться в оборудовании сетей связи следующего поколения.

В настоящее время можно назвать порядка двадцати типов специальных оптических волокон отличающихся конструктивными характеристиками и основными свойствами. Ниже приводится основные сведения о некоторых широко распространенных специальных оптических волокнах, условно классифицированных по наиболее важным областям их применения в оптической связи.

 

Волокна для волоконных лазеров и усилителей

Волокна как активная среда

Легированные эрбием оптические волокна разработаны для эрбиевых волоконных усилителей (EDFA) с широким диапазоном требований к техническим характеристикам предназначеных для DWDM, CATV и других применений телесвязи. EDFA усилители включает усилители мощности, предусилители и линейные усилители для C- и L-диапазонов.

В типичном эрбиевом волоконном усилителе, легированное эрбием волокно накачивается лазерным диодом с длиной волны 980 nm (или 1480nm), чтобы обеспечить усиление в диапазоне1550 nm. Эрбиевое волокно должно быть выполнено таким, чтобы обеспечить максимальную эффективность поглощения накачки с длиной волны 980 nm, а также оптимальное усиление сигнала в 1550 nm. Это выполняется созданием волокна с высокой числовой апертурой с типичным значением от 0.23 до 0.25, чтобы достигнуть приемлемого совмещения областей поля накачки и поля сигнала. Длина волны отсечки волокна имеет также критическое значение в его конструкции, поскольку это определяет длину волны, на которой волокно должно работать в одномодовом режиме.

Типичное эрбиевое волокно имеет такую длину волны отсечки, которая гарантирует, что накачка будет распространяться в одномодовом режиме, обеспечивающем максимальное перекрытие между областью поля и областью пребывания эрбиевых ионов в сердцевины волокна.

Диапазон значений характеристик типичного эрбиевого волокна (C-полоса):

· Рабочая длина волны (nm) :                                          1520 - 1560

· Диаметр модового поля (m m) :                                     5.4 - 7. 4 для 1550nm

· Диаметр волокна (m m) :                                                125 ± 2.0

· Диаметр покрытия волокна (m m) :                               250 ±15

· Числовая апертура:                                                         0.21 - 0.24

· Поглощение на длине волны накачки (dB/m):             3.5 - 13.0 на 980 nm

· Материал сердцевины волокна:                                   Er3+AI2O3/GeO2/SiO2

 

         Иттербиевое волокно  и иттербиевое волокно с двойной оболочкой используются в источниках излучения большой мощности и усилителях в области 1.5 µм. Эти волокна были разработаны, чтобы отвечать требованиям к оптическим усилителям большой мощности , индустриальным и военным лазерам и инфракрасным источникам. Волокна были специально разработаны, чтобы эффективно объединить одномодовый сигнал и высокую мощность накачки от многомодового диода в пассивное волокно с двойной оболочкой. Объединяя дешевые с большой выходной мощностью многомодовые диоды накачки на длине волны 915 или 976 nm с этими волокнами, можно легко достигать много-ваттных уровней мощности с эффективным отношением электрической мощности к оптической. Используя ступеньчатые волокна в режиме непрерывного излучения, выходная мощность достигает киловатт с углом расходимости ограниченной лишь дифракцией. В импульсном режиме может быть достигнута средняя мощность пордка 100 ватт даже для фемтосекундного волоконного лазера. Усилители с иттербиевым волокном с двойной оболочкой - привлекательная технология для сфазированных решеток большой мощности. Они имеют много преимуществ, включая большое усиление и легкость в управлении термическим способом.

Волокна для накачки волоконных лазеров

Эти волокна имеют многомодовую сердцевину соответствующую по размерам диаметру внутренней оболочки иттербиевого волокна, используемого в качестве активного элемента для волоконных лазеров и усилителей. Они используются для передачи энергии излучения от оптического источника накачки волоконного лазера ( или усилителя) к его активному элементу и доставки выходного излучения лазера для различных применений. Они могут быть использованы в качестве пигтейлов для лазерных диодов накачки и как плечи для волоконных ответвителей и сумматоров (комбайнеров). Комбайнер суммирует выходную мощность от нескольких лазерных диодов накачки в одно волокно, увеличивая тем самым мощность накачки.

Данные волокна имеют следующие особенности: они многомодовые, имеют большую числовую апертуру (~0,45), затухание на длине волны 915 нм около 3 дБ/км, высокую устойчивость к воздействию влажности. Некоторые волокна для передачи энергии излучения от оптического источника накачки могут перераспределять обратнораспространяющийся свет отраженный от активного волокна лазера, который является главной причиной отказов многомодовых лазерных диодов накачки.

 

Волокна для оптических мультиплексоров и демультиплексоров ввода/вывода

Оптические мультиплексоры и демультиплексоры ввода/вывода обычно создаются с использованием фоточувствительных волокон. Способность оптического волокна под действием света изменить на постоянно показатель преломления сердцевины названо светочувствительностью волокна. Когда ультрафиолетовый свет освещает сердцевину волокна легированную германием, ультрафиолетовые фотоны разрывают атомные связи, показатель преломления сердцевины изменяется и после облучения остается неизменным. При предварительной обработке волокна с использованием технологии гидрогенизации можно увеличить изменение показателя преломления во время ультрафиолетового облучения. Другим свойством индуцированно измененного показателя преломления является анизотропия, которая полезна для соэдания качающихся фильтров.

Фоточувствительные волокна используются для создания волоконных брэгговских решеток (FBG), которые, строго говоря, и являются главным компонентом мультиплексоров ввода/вывода и демультиплексоров ввода/вывода. Волоконная брэгговская решетка представляет собой оптическое волокно с периодическим изменением показателля преломлеия вдоль его сердцевины. Облучая фоточувствительное волокно лазером через фазовую маску, можно создать волоконную брэгговскую решетку. Основным свойством этой решетки является отражение распространяющегося по волокну света в узкой полосе, которая сцентрирована около брэгговской длины волны. Волоконная брэгговская решетка обладает высоким коэффициентом отражения на определенной длине волны, малыми вносимыми потерями, высокой избирательностью длины волны и малыми перекрестными помехами. Поэтому она является весьма привлекательным устройством для установки в мультиплексорах ввода/вывода и демультиплексорах ввода/вывода. Чтобы отделить входной сигнал от встречно распространяющегося отраженного сигнала, используется оптический невзаимный циркулятор. Каждый мультиплексор ввода/вывода имеет два два циркулятора: один для ввода определенной длины волны, другой – для вывода. Циркулятор обычно вносит потери от 0,5 до 1 дБ. Вносимые потери растут тем больше, чем больше решеток и циркуляторов каскадируются в мультиплексоре (демультиплексоре).

Диапазон значений характеристик типичного фоточувствительного волокна:

Область проектирования рабочих длин волн (nm):         1300,    1550 - 1600

Длина волны отсечки (nm):                                             < 1300,    1250 - 1500

Диаметр сердцевины волокна (m m):                                      2.0 - 8.2

Диаметр волокна (m m):                                                           125 ± 1

Диаметр покрытия волокна (m m):                                          245 – 270

Числовая апертура:                                                                   0.11 - 0.40

Затухание (dB/m):                                                                      0.6 - 8 на 1550 nm

Уровень испытательной нагрузки (kPsi):                               50 -150

Индуцированное изменение

показателя преломления:                                                         0.001 - 0.002

 

Волокна для оптических модуляторов

Существует два типа оптических волоконных модуляторов: внутренние и внешние. Оба типа чаще всего бывают фазовыми модуляторами.

Внешний модулятор может быть построен как оптический волновод на подложке. Он обеспечивает согласование с волокнами установленными на входе и выходе, которые могут быть или обычными одномодовыми волокнами (SM) или поляризационными волокнами (PM).

Другим вариантом внешних модуляторов является полностью волоконный акусто-оптический модулятор. Наиболее часто полностью волоконные акусто-оптические модуляторы представляет собой устройства осуществляющие сдвиг частоты на базе поверхностных акустических волн. В них используется явление связи поляризованных мод в поляризационных волокнах или пространственная связь мод в обычных одномодовых волокнах.

Внутренний волоконный акусто-оптический модулятор обычно содержит акустический модулятор, который модулирует фазу света, распространяющегося по обычному одномодовому волокну, используя механическое растяжение или сжатие волокна

Таким образом, в оптических волоконных модуляторах испольуются как поляризационные волокна, так и обычные оптические волокна.

Одномодовые волокна с двулучепреломлеием передают оптическое излучение двумя несвязанными модами, которые линейно поляризованы, взаимно перпендикулярны и имеют различные фазовые скорости распространения. Поляризационные же волокна сконструированы таким образом, чтобы передавать входной свет только одной линейной поляризации. Желаемое направление плоскости поляризации получается на основе принципа создания механического напряжения, используя в волокне эллиптическую оболочку окружающую круглую сердцевину или круглую оболочку окружающую эллиптическую сердцевину, а также другие структуры волокна. В зависимости от структуры поляризационные волокна получили различные названия: "Bow-Tie”, "Oval Inner Clad", "PANDA", “3M Tiger” и др.

Диапазон значений характеристик типичного поляризационного волокна:

Рабочая длина волны (nm):                        1300 -1400,             1550 - 1620

Длина волны отсечки (nm):                    < 1290                      < 1470

Диаметр модового поля (m m):                   8.4 -9.1                    9.7 -10.5 

Диаметр волокна (m m):                              125 ± 1                    125 ± 1

Диаметр покрытия волокна (m m):             (245-400) ± 5%       (245-400) ± 5%

Числовая апертура:                                      0.11-0.13                 0.11- 0.13

Затухание (dB/m):                                       <2                             <2

Длина биений* (mm)                                <2                              <2

* Это характеристика обратно пропорциональна двулучепреломлению и показывает требуемую длину волокна, при которой линейно поляризованые взаимно перпендикулярные моды на заданной длине волны достигают разности фаз 2p .

 

Волокна для оптических фильтров

В настоящее время существуют много типов оптических фильтров: фильтры на диффракционных решетках, Фабри-Перо фильтры, Маха-Цандера интерференционные фильтры, полностью волоконные фильтры, сглаживающие фильтры усиления активной среды и др. В большинстве из них используются обычные волокна.

Фабри-Перо фильтр представляет собой резонатор состоящий из двух связанных между собой оптических волноводов с частично отражающими зеркалами на концах.

Фильтры Маха-Цандера построены с использованием двух направленных ответвителей и двух обычных волокон, одно из которых является опорным плечом, а в другом показатель преломления варьируется в соответствии с управляющим сигналом.

Брэгговский волоконный фильтр представляет собой фоточувствительное волокно, на части которого сформирована брэгговская решетка. Характеристики такого волокна представлены выше в пункте Волокна для оптических мультиплексоров и демультиплексоров ввода/вывода. Если изменять (управлять) период решетки Брэгговского фильтра, то он становится перестраиваемым фильтром. Период решетки может быть изменен термически или механически.

Брэгговский принцип также применяется в полностью волоконных акусто-оптических перестраиваемых фильтрах, где решетки выполняются используя высокочастотный акустический сигнал воздействующий на оптически прозрачный волновод. Полностью волоконные акусто-оптические перестраиваемые фильтры включают преобразователи, в которых используется связь пространственных мод на поверхности обычного одномодового волокна или акусто-оптические устройства сдвига частоты акустических поверхностных волн, использующие связь поляризованных мод в поляризационных волокнах (PM). Характеристики этих волокон приведены в пункте Волокна для оптических модуляторов.

В сглаживающих фильтрах усиления активной среды применяются записанные в непокрытых волокнах брэгговские решетки с большим периодом вариации показателя преломления (~100 мкм). Такие решетки обеспечивают связь между модами сердцевины и оболочки, вызывая потери зависимые от длины волны. Сглаживающие фильтры могут производиться с применением технологии создания конусных волокон при плавлении.

 

Волокна для компенсации дисперсии

Компенсация дисперсии может быть выполнена несколькими методами. В зависимости от применяемоо метода могут применяться специальные волокна или устройства именуемые компенсаторами дисперсии (Dispersion Compensating Modules). Некоторые компенсаторы также включают специальные волокна или оптические волноводы.

С помощью волокон компенсирующих дисперсию можно осуществить широкий круг операций. Эти волокна имеют большую отрицательную дисперсию и также отрицательный наклон дисперсионной кривой.

Диапазон значений характеристик типичного волокна для компенсации дисперсии:

Рабочая длина волны (nm):                            1520 - 1580

Диаметр сердцевины (m m):                           2 - 4

Диаметр волокна (m m):                                  125 ± 1

Диаметр покрытия волокна (m m):                 245 ± 5%

Затухание (dB/km):                                           0.2 – 0.5

Отрицательная дисперсия (ps/nm):                 80 - 100

Из приведенных характеристик видно, что затухание этих волокон выше, чем у обычных одномодовых волокон. Эта проблема решается в некоторых компенсаторах дисперсии.

В этих устройствах установлены волоконные брэговские решетки с переменным периодом (см. Волокна для оптических фильтров). При этом период изменяется вдоль волокна линейно. В следствии этого волны разной длины отражаются от расположенных на разных рсстояниях от входа решеток, что приводит к разному времени их распространения и соответственно к компенсации хроматической дисперсии. Все компенсаторы с линейным периодом решетки являются неперстраиваемыми устройствами. В перестраиваемых компенсаторах изменение периода решетки вдоль волокна должно быть нелинейным. Варьирование компенсации дисперсии достигается растягиванием волокна механическим или тепловым способом.

Таким образом, для компенсации дисперсии используются оптические волокна с отрицательной дисперсией и фоточувствительные волокна, из которых получают брэгговские волоконные решетки с переменным периодом.

 

Волокна для источника суперконтинуума

Особым примером специальных оптических волокон являются фотонно- кристаллические волокна (PCF) . Благодаря проявлению серии уникальных свойств они находят применение не только в оптической связи, но и в передаче больших мощностей, чувствительных датчиках, нелинейных устройствах и других областях. В фотонно-кристаллических волокнах используется область оболочки волокна с продольными воздушными каналами, которая окружает сердцевину, где сосредоточено излучение. Их внутренняя периодическая структура, изготовленная из капиляров заполенных воздухом, представляет собой в поперечном сечении гексогональную или квадратную решетку. Отверстия в решетке могут быть круглыми или почти произвольной формы. Манипулирование типом решетки, ее шагом, формой воздушных каналов и показателем преломления стекла позволяет получать свойства, которые не существуют у обычных волокон. Кроме того, фотонно-кристаллические волокна могут иметь два режима работы согласно их направляющим свет механизмам: направление света показателем преломления и направление света благодаря механизму фотонных запрещенных зон.

Фотонно-кристаллические волокна с сердцевиной, имеющей более высокий средний показатель преломления, чем микроструктурированная оболочка, могут работать по тому же принципу как обычные волокна, т.е. в соответствии с механизмом направления света показателем преломления. Фотонно-кристаллические волокна с микроструктурированной оболочкой и с пустым (воздушным) каналом направляют свет преобладающе через этот канал в результате действия механизма фотонных запрещенных зон, который заключает свет в сердцевине с низким показателем преломления и даже в пустой сердцевине.

Если фотонно-кристаллическое волокно имеет очень маленькую сердцевину и низкий показатель преломления оболочки (из-за экстремально высокой доли заполнения пустыми каналами), они имеют очень маленькую эффективную область распространения света и большие значения нелинейных коэффициентов. Эти нелинейные свойства делают фотонно-кристаллические волокна способными генерировать суперконтинуум, что означает способным преобразовывать свет определенной длины волны в свет с более длинными и более короткими волнами. Генерирование одновременно многих несущих длин волн одним источником используется в технологии WDM оптических сетей.

Диапазон значений характеристик типичного фотонно-кристаллического волокна способным генерировать суперконтинуум:

Диаметр сердцевины (m m):                                                                1 - 3

Диаметр волокна (m m):                                                                       125 - 270

Диаметр воздушных отверстий (m m):                                                3 - 5

Разница показателя преломления сердцевина-оболочка              ~0.4

Доля заполнения пустыми каналами (% от площ. оболочки):        70 – 90

Нелинейный коэффициент на 1.55m m (1/[W*km]):                         10 – 70

Дисперсия в диапазоне 1.48 – 1.62 m m (ps/[nm*km]):                      0.5 - 2

Затухание в диапазоне 1.51–1.62 µm (dB/km):                                   2 - 10

 

 

 

 

Copyright © 2007  Fiber Optic Communication Solutions. All rights reserved.