Модуляция света

Если А, j, w1, и w2 не зависят от времени, то спектры Е(t) и Е2(t) имеют вид, изображённый на рис. 2. Спектр Е2(t) состоит из пост. составляющей (0=0 и разностной частоты W=|w1-w2|. Т. к. каждая линия дублета имеет спектр, ширину Dw, то реальные спектры Е(t) и E2(t) имеют вид, изображённый на рис. 3. Максимум в спектре E2(t) лежит вблизи разностной частоты W и имеет ширину порядка ширины компонентов дублета.

Для обнаружения дублетного расщепления посредством анализа спектра демодулированого колебания необходим колебательный контур с добротностью Q=|w1-w2|/Dw. При Dw=109с-1 даже весьма плохой контур (с Q»10) позволяет обнаружить дублетное расщепление |w1-w2|=1010c-1. В то же время для обнаружения такого дублетного расщепления обычными оптическими спектрами приборами необходимо, чтобы они имели разрешение R=w1/Dw?106 (w1»1015 с-1), что практически не достигается даже в лучших спектра приборах. Демодуляцийный анализ имеет особенно важное значение при анализе спектра излучения газовых лазеров, у которых значения Dw и |w1-w2| лежат в диапазоне Dw»104 с-1 и |w1-w2|»106 с-1.

 Рис. 2. Спектры Е(t) и Е2(t) в случае не зависящих от времени A, j, w1 и w2.

Рис. 3. Реальные спектры. Е (t) и E2(t) для дублета.

Высокая степень когерентности, направленности и монохроматичности лазерного излучения позволяет использовать также для демодуляции анализа т. н. супергетеродинный метод, где в качестве гетеродина применяется лазер. По гетеродинной схеме можно определить закон изменения частоты или фазы исследуемого излучения, что используется при т. н. доплеровском лоцировании объектов, позволяющем определять их скорости. В этом случае принимаемым сигналом является излучение лазера, отражённое от движущегося объекта. Частота этого излучения сдвинута относительно частоты лазера-гетеродина на величину, пропорциональную скорости объекта (Доплера эффект). Существует развитие, этот метод получает при определении скорости сверхмедленно движущихся объектов, напр. ледников или континентальных плит земной коры.

 

 

 

СВЕТОВОД

Световод (светопровод, волновод оптический), закрытое устройство для направленной передачи (канализации) света. В открытом его передача возможна только в пределах прямой видимости и связана с потерями, обусловленными начальной расходимостью излучения, поглощением и рассеянием в атмосфере. Переход к световод позволяет значительно уменьшить потери световой энергии при её передаче на большие расстояния, а также передавать световую энергию по криволинейным трассам.

Одним из типов светопроводов является линзовый волновод— система заключённых в трубу и расположенных на определенных расстояниях (обычно через 50—100 м) стеклянных линз, которые служат для периодической коррекции волноводного фронта светового пучка. В качестве корректоров могут также применяться газовые линзы или зеркала определённой формы.

Наиболее перспективный тип световода — гибкий волоконный световод с низкими оптическими потерями, позволяющий передавать свет на большие расстояния. Он представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина которой радиуса а1 имеет показатель преломления n1, а внешняя оболочка с радиусом а2 имеет показатель преломления n2

Поэтому лучи, распространяющиеся под достаточно малыми углами к оси световода, испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине. В зависимости от назначения световода его диаметр 2a1 составляет от несколько, мкм до нескольких сотен мкм, а 2а2— от нескольких десятков до несколько тысяч мкм. Величины 2а1 и n1 -n2 определяют число типов волн (мод), которые могут распространяться по световоду при заданной длине волны света.

 

Рис. 4. Поперечное сечение волоконного световода.

Выбирая 2a1 и n1-n2 достаточно малыми, можно добиться, чтобы световод работал в одномодовом режиме. Волоконные световоды находят широкое применение в системах оптической связи, в вычислительной технике, в датчиках различных физических полей и т. д.

Важнейшими характеристиками световода, предназначенных для подобных применений, являются оптические потери, обусловленные поглощением и рассеянием света в световоде, и информационная полоса пропускания. В 70-х гг. 20 в. созданы волоконные световода с малыми потерями: затухание сигнала =1 дБ/км в ближней ИК области спектра. Типичный спектр оптических потерь в таких световодах представлен на рис.5.

Рис. 5. Спектр оптических потерь в стеклянном волоконном световоде.

Материалом для этих световодов служит кварцевое стекло; различия показателей преломления сердцевины и оболочки достигают легированием стекла (напр., бором, германием, фосфором). Минимально возможные потери в таких световодах составляют = 0,2 дБ/км на волне 1,55 мкм. Полоса пропускания типичных многомодовых волоконных световодов со ступенчатым профилем показателя преломления составляет величину 20—30 МГц•км, с градиентным профилем — 400—600 МГц•км. Наиболее широкополосны одномодовые световоды в области длин волн 1,26—1,32 мкм, где материальная дисперсия кварцевых стёкол ближе к 0; полоса пропускания составляет —1011 Гц•км.

Волоконные световоды с самыми низкими потерями изготавливают методом хим. осаждения из газовой фазы. В качестве исходных соединений используются хлориды кремния, германия и др. Получаемая этим методом заготовка диаметром 10—20 мм и длиной 200— 400 мм перетягивается в волоконный световоды диаметром 125—150 мкм с одновременным покрытием его защитно-упрочняющей полимерной оболочкой.

Разработаны волоконные световоды более сложной конструкции, напр. многослойные световоды и световоды с эллиптической сердцевиной. Одномодовые световоды  последнего типа перспективны для применений, где требуется сохранение поляризации распространяющегося света. Перспективными является волоконные световоды для среднего ИК диапазона длин волн (2—11 мкм), в который попадают длины волн генерации химических, СО и СО2-лазеров. Имеются материалы, такие, как халькогенидные стёкла, флюоридные стёкла, щёлочно-галоидные кристаллы, в которых оптические потери могут составлять величину =10-1—10-3 дБ/км в указанном диапазоне.

Для целей интегральной оптики разработаны тонкоплёночные и диффузные диэлектрические волноводы — световоды, представляющие собой тонкую (порядка длины световой волны) однородную плёнку, нанесённую на однородную подложку. Необходимое условие волноводного режима, т. е. существования поверхностных световых волн, заключается в том, что показатель преломления плёнки больше показателей преломления подложки и среды над волноводом. Световая волна в таком световоде распространяется в процессе многократных полных отражений от её стенок. Диэлектрические световоды изготавливают методом катодного распыления стекла или др. материала (ZnS, CdS, ZnSe) на кварцевой подложке, методом эпитаксиального наращивания из жидкой или газообразной фазы, методом ионной имплантации (подложка бомбардируется ионами Li, T1 или протонами)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изготовление и применение световодов

Волоконные световоды на основе кварцевого стекла с низкими оптическим потерями изготовляют методом химического осаждения из газовой фазы. В качестве исходных соединений используются кислород и хлориды кремния, германия, фосфора и др. Получаемая этим методом заготовка диаметром 20-30 мм и длиной 400-1000 мм перетягивается в волоконный С. диам.100 мкм с одновременным нанесением на него защитно-упрочняющей оболочки.

Кроме кварцевого стекла для волоконных световодов используют также другие прозрачные в видимой и ИК-областях спектра материалы - многокомпонентные кислородные стёкла, без кислородные стёкла, полимеры и кристаллы. Однако волоконные световоды на основе кварцевого стекла обладают наинизшими оптическими потерями и наивысшей механической прочностью, поэтому они нашли самое широкое применение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Волоконно-оптическая связь

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон позволяет оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передачи, измеряемыми терабитами в секунду.

Волоконно-оптический датчик

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, даёт волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определённых областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптическим волокном[

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков.

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-оптическими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются: высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и лёгкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, используемом в Boeing 767 и в некоторых моделях машин (для навигации). Специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока. Это волокна, полученные при вращении заготовки с сильным встроенным двойным лучепреломлением.

Другие применения оптического волокна

  Оптические волокна широко используются для освещения. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна используются для обозначения маршрута с крыши в какую-нибудь часть здания. Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки.

Оптическое волокно также используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами — например, в эндоскопе, который используется для просмотра объектов через маленькое отверстие.

Один из способов механической шифровки изображения заключается в следующем: большое количество оптических волокон, оба конца которых расположены упорядоченно, тщательно переплетают в середине, а затем разрезают пополам. Одна половина получившейся конструкции используется для шифровки изображения, а другая — для дешифровки: изображение, пройдя через переплетённые световоды, превращается в бессмысленный набор точек разного цвета, но после прохода через вторую половину этот набор точек восстанавливается до оригинала. Преимущество этого метода заключается в простоте изготовления шифрующего механизма и в невозможности расшифровать передаваемое изображение без шифратора или дешифратора (шифратор и дешифратор в такой системе абсолютно взаимозаменяемы). Недостаток заключается в значительной потере качества изображения, зависящей от толщины используемых световодов, и в необходимости очень точно позиционировать зашифрованное изображение перед дешифратором — малейший перекос будет препятствовать расшифровке.

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В качестве заключения, будет целесообразно рассмотреть достоинства и недостатки оптической связи.

Достоинства

Основные принципиальные преимущества оптической связи по сравнению с радиосвязью — высокая направленность излучения, обеспечивающая повышенную помехозащищённость и скрытность связи, и большая ширина полосы частот для передачи информации.

Недостатки

Работы с открытыми линиями оптической связи в приземных слоях атмосферы с использованием лазеров показали, что надёжность связи сильно зависит от атмосферных условий, определяющих оптическую видимость на трассе распространения. Это ограничивает применение открытых линий оптической связи относительно малыми расстояниями (несколько км).

Световод

Необходимость повышения пропускной способности тракта передачи сигнала и поддержки работы сверхвысокоскоростных сетевых интерфейсов открывает широкие перспективы массового использования многомодовых световодов типа 50/125.

Основными направлениями совершенствования вторичных защитных покрытий волокон является улучшение массогабаритных параметров и характеристик влагостойкости.

Доступность серийно выпускаемых волокон основных типов с улучшенной гибкостью и эффективностью продвижения в воздушном потоке, специально адаптированных для применения в системах пневматической прокладки, позволяет резко повысить эффективность оптических подсистем.

Литература:

 Волоконно-оптическая связь. Приборы, схемы и системы, пер. с англ., М., 1982;

Ю. В. Попов, В. Б. Волконский. Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

Оптические системы передачи информации по атмосферному каналу, М., 1985;

Xинрикус X. В., Шумы в лазерных информационных системах М., 1987;

Техника оптической связи. Фотоприемники, пер. с англ.,М., 1988;

Гауэр Д., Оптические системы сплин пер. с англ., М., 1989.

 Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи. — М.: ЛЕСАРарт, 2003. — 288 с. — 10 000 экз.

Gambling, W. A., «The Rise and Rise of Optical Fibers», IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 6, pp. 1084—1093, Nov./Dec. 2000