9 Устройства ввода излучения в оптическое волокно и вывода из него

9.1 Общее положение

Важнейшее место в проблеме согласования различных оптических структур занимает вопрос эффективного ввода излучения источников в оптическое волокно. Как известно, наиболее подходящими источниками излучения для ВОЛС являются полупроводниковые светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые лазеры. По спектральным характеристикам, диаграмме направленности излучения и полосе частот модуляции СИД значительно уступает лазерам. Тем не менее благодаря относительно низкой стоимости, простоте изготовления, высокой надежности, более слабой, чем у лазеров, зависимости мощности излучения от температуры они находят широкое применение в локальных линиях связи небольшой протяженности со скоростью передачи информации порядка 100 Мбит/с. По способу вывода излучения из области рекомбинации носителей СИД разделяются на два вида: фронтальные с широкой излучающей площадкой, в которых излучение выводится в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, и торцевого типа. Первые имеют излучающую площадку с характерными размерами (0,05…1) мм, и их излучение распределено довольно изотропно в пространстве, что приводит к большим потерям при вводе излучения в оптическое волокно из-за существенного различия их фазовых объемов.

Для применений в ВОЛС более перспективны СИД торцевого типа, и особенно суперлюминисцентные светоизлучающие диоды, которые обладают лучшей диаграммой направленности излучения вследствие частотного волноводного удержания света в активной области, а размеры их излучающих площадок соизмеримы с поперечными размерами одномодовых оптических волокон. Условия согласования таких диодов с волокном близки к условиям согласования полупроводниковых лазеров с низкой когерентностью и достаточно широким спектром излучения. Поэтому в последующем рассматриваются, главным образом, методы согласования полупроводниковых лазеров с оптическими волокнами.

Устройства ввода и вывода излучения должны обеспечивать передачу максимально возможной мощности от источников излучения в оптическое волокно, а из световода в фотоприемник. Конструкция указанных устройств определяется характеристиками как излучателей и фотоприемников, так и световодов.

Для согласования необходимо располагать описанием излучения на выходном торце волокна. В простейшем случае при одномодовом волокне со ступенчатым изменением показателя преломления поле основной моды может быть описано с помощью функции Бесселя и модифицированной функции Ханкеля. Чтобы описать модовое дальнее поле, необходимо осуществить преобразование Фурье этой кусочной аналитической функции. Здесь пригодны только численные методы. Для одномодового волокна хорошим приближением является гауссов пучок. Ширина 1/е гауссовой функции поля зависит от формы профиля показателя преломления и приближенно равна диаметру сердечника.

В случае многомодового волокна описание даже ближнего поля на выходном торце волокна представляет трудную задачу. Поле в каждой точке определяется суммой полей отдельных мод и зависит от фазового соотношения между ними. Последнее принимает все значения от 0 до 2 с равной вероятностью за период наблюдения. При многомодовом волокне хорошие результаты дает геометрический метод.

При соединении источника излучения с многомодовым волокном обычно имеют место два вида потерь, которые вызваны несовпадением излучающей и принимающей излучение областей, а также отличием цифровых апертур источника и волокна. Несовпадение областей имеет место, когда область, освещенная источником, больше сердцевины волокна, при этом согласование достигается минимизацией расстояния между источником и волокном (соединение встык), используя тот факт, что площадь источника меньше площади сердцевины. В тех же случаях, когда интервал между источником и входным торцом волокна неизбежен, для ввода излучения могут быть использованы линзы. Однако попытки уменьшить размеры источника с помощью линз могут привести к возникновению проблем, связанных с цифровой апертурой излучателя. Когда освещенная область торца волокна меньше его сердцевины, имеют место потери вследствие несовпадения цифровой апертуры, потому что источник обычно излучает в более широком конусе, чем принимающий конус волокна. Волокно со ступенчато-изменяющимся показателем преломления и градиентное волокно имеют различные характеристики восприятия излучения. Так, входная угловая апертура градиентного волокна определяется смещением от центра сердцевины в то время как в ступенчатых волокнах она постоянна. В этой связи ниже раздельно анализируются эффективности соединений источников излучения с одномодовым и многомодовым волокном.