Ввод излучения лазера в одномодовое оптическое волокно

Выше отмечалось, что СЛТ реализуются с использованием ООВ и  квазикогерентных источников   излучения,   в   частности   полупроводниковых   ИЛ.   Инжекционные   лазеры устойчиво   работают   в   одномодовом   режиме,    имеют   равномерную   модуляционную характеристику, вплоть до нескольких гигагерц, а также другие преимущества. Но каковы бы ни были устройство и параметры современного лазера, его излучательные характеристики не согласуются  с  распределением  напряженности  поля  основной  моды  НЕ11   возбуждаемого лазером ООВ. Поэтому потери уровня оптической мощности лазера при непосредственном вводе его излучения в ООВ могут достигать 20  дБ и более. Для уменьшения этих потерь применяют различные устройства согласования выхода лазера с торцом используемого ООВ при соблюдении высокой точности их юстирования.

Попытки   применить   для  согласования  одну  сферическую  линзу  с   относительно большими  размерами  приводят  к  потерям  вводимого   оптического  сигнала  в  пределах

7…10 дБ.

Оптическое   согласующее   устройство   из   двух   сферических   линз   изображено   на рис. 3.24.  Результаты  его  использования  показывают,  что  максимальная  эффективность ввода  (ЭВ),  или  минимум  потерь  при  вводе  излучения  лазера  в  ООВ  получается  при одновременном выполнении двух условий:

l1  < f1  и l2  > f2.

Здесь и на рис. 3.24 f1 и f2, R1 и R2, п1 и п2фокусные расстояния, радиусы и показатели преломления линз 1 и 2 соответственно.

При  указанных  условиях  радиусы  кривизны  волновых  фронтов  пучка  оптического излучения  лазера  и  поля  основной  волны  НЕ11   в  ООВ  имеют  одинаковые  знаки.  Для значений параметров: f1 = 0,291 мм; R1 = 0,25 мм; п1= 1,75; f2 = 1,377 мм; R2= 2 мм; п2= 1,57; l3 = f2; l2 = 5 мм; диаметр поля основной моды ООВ dпм= 10 мкм; малая и большая полуоси эллиптического пучка излучения лазера равны wx= 0,8 мкм и wy= 1,0 мкм соответственно, на длине   волны  1,3  мкм  такое  согласующее  устройство  обеспечивает   экспериментальное значение эффективности ввода 2,6 дБ [50].

В устройствах ввода, построенных по схеме рис. 3.24, наряду со сферическими линзами могут   использоваться   градиентно-стержневые   линзы    или   сочетания   сферических   и градиентно-стержневых линз. Такие устройства обеспечивают потери при вводе в пределах

3…5 дБ на длине волны 1,3 мкм. Известны и другие устройства ввода излучения  лазера в ООВ. Они достаточно подробно рассмотрены в обзоре [45].

Рис. 3.24

В работе [51] предложено анизотропное оптическое волокно (АОВ), показанное на рис.

3.25. В нем градиент показателя преломления в сердцевине 5 (4 – оболочка ОВ) создается не за счет изменения химического состава стекла, а в результате  упорядочения  внутренней молекулярной  структуры  чистого  кварцевого  стекла  внешним  электрическим  полем  1  в процессе    производства.    При   этом    анизотропные   молекулы   материала   сердцевины ориентированы так, что их  оптические оси 3 направлены вдоль силового электрического поля  1.  Меридиональный  луч  2,  входящий  в  торец  АОВ  под  углом  Θ0   на  некотором расстоянии  r0    от  оси  х  распространяется  по  траектории  6.  Она  представляет   собой затухающую к оси х синусоиду, ограниченную линиями 8. Это относится к меридиональным лучам любой моды, вводимым в торец АОВ в пределах апертурного угла.

Рис. 3.25

С волновой точки зрения это означает, что указанные моды будут преобразовываться по  пути   их  распространения   в  моду  единой  линейной   поляризации  НЕ11,  имеющую минимальный к оси х угол следования луча.

После   прохождения   некоторого   участка   волокна,   называемого   длиной   медового

преобразования Lмп, АОВ обеспечивает одномодовый режим распространения в  волокне с эквивалентным    радиусом    сердцевины    а1.    Взаимное    преобразование    направляемых 156

градиентом АОВ мод на участке длиной Lмп не вызывает потерь, т. к. при этом выполняется только модовое и спектральное распределение  внутри АОВ.  Для  сравнения на рис. 3.25 представлена траектория 7 оптического луча в изотропном градиентном ОВ с переменным в его поперечном сечении химическим составом материала ОВ.

Следовательно,   АОВ   с   успехом   может   быть   использовано   для   формирования солитонного  режима  передачи  (см.  подразд.  3.6.5)  и  последующего  ввода  значительной энергии  оптических  сигналов  в  изотропное  ОВ.  Кроме того,  АОВ  само  по  себе  может поддерживать   солитонный   режим   передачи,   так   как   в   таком   волокне   происходит концентрация (коллимация) энергии оптических сигналов вдоль оси х на  основной моде НЕ11, что равносильно одномодовому режиму передачи в «толстом» АОВ.

Действительно,  предположим,  что  на  входной  торец  АОВ  вводится  многомодовый пучок  лучей  с  удельной  плотностью  интенсивности   излучения  J0,  засвечивающих  все поперечное сечение сердцевины S0  = πа2/4.  На выход АОВ длинной Lмп, из-за отсутствия потерь,    поступает    та    же    мощность    с    удельной    плотностью    интенсивности    J, распространяющаяся  в  моде  НЕ11   в  эквивалентном  одномодовом   поперечном  сечении

S  = pa 2

4 . Отсюда следует, что

J = J 0 a

a2 .

Если радиус сердцевины многомодового АОВ а = 25 мкм, а  эквивалентный радиус ООВ а1  = 5 мкм (dмп  = 10 мкм), то вследствие коллимации лучей на отрезке Lмп  усиление

составит 10lg(a2

a2 ) = 14 дБ.

Отсюда возникла идея, что с целью уменьшения потерь при вводе АОВ  может быть использовано как согласующее устройство между лазером и  изотропным ООВ. При этом необходимо совместить плоскость поляризации  лазера и плоскость АОВ, в которой лежит силовая линия электрического поля  1. Благодаря медовому преобразованию отрезок АОВ длиной Lмп  может быть  включен как между многомодовым лазером и ООВ, так и между одномодовыми   лазером   и   ООВ.   Диаметр   сердцевины   многомодовой   стороны   АОВ, обращенной к лазеру, не ограничен и может достигать 1…2 мм.

Одномодовая сторона АОВ стыкуется с ООВ непосредственно, например, сваркой или клеем. Потери при вводе излучения лазера в ООВ с использованием согласующей вставки из АОВ длиной Lмп  будут определяться как максимум  теми же причинами, что и в схеме на рис. 3.24, т. е. поперечным смещением  лазера и АОВ на входе (максимум 1 дБ), угловым перекосом оси АОВ с осью лазерного луча (максимум 1 дБ), рэлеевскими потерями на длине Lмп и качеством соединения АОВ с ООВ. В сумме это составит не более 3 дБ.

Многомодовая  (лазерная)  сторона  АОВ  соединяется  с  лазером  механически  или  с помощью клея. Если между ними существует воздушный зазор, то потери на соединение не превышают  2  дБ.  Если  же  зазор  заполнить  иммерсионной  жидкостью  (прозрачным  для

излучения лазера клеем), то указанные потери будут не более 1 дБ. В результате суммарные

потери при вводе излучения лазера в ООВ через отрезок Lмп  АОВ составят  менее 5 дБ, а усиление за счет коллимации лучей в АОВ при указанных  параметрах а и а1  составляет 14 дБ.

Таким образом, ввод излучения одномодовых и многомодовых лазеров в  изотропные ООВ через согласующие вставки из АОВ длиной модового преобразования Lмп обеспечивает (за счет коллимации в них лучей различных мод) усиление интенсивности излучения до 9 дБ. Известно пагубное влияние на  режим работы лазера встречного (обратного) потока, возникающего   на   неоднородностях   в   протяженных   СЛТ.   В   этом   случае   АОВ   при распространении  встречного  потока  будет  преобразовывать  его  одномодовую  природу  в многомодовую с выводом высших мод в защитные  оболочки, т. е. АОВ будет выполнять

роль оптического вентиля, или изолятора.

Источник: Хмелёв К. Ф. Основы SDH: Монография. – К.: ІВЦ «Видавництво «Полігехніка»», 2003.-584 с.:ил.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100