14.3 Талшықты жарық бағыттаушы

Оптикалық - бұл f = 1013 ... 1015 ГГц жиіліктеріне сәйкес келетін толқындық жолақ λ = 0.3 ... 30 мкм. Талшықты жарықтандырғыш - бұл дөңгелек көлденең қиманың диэлектрлік волновидтері.

Диаграмма 14.6 Диэлектрикалық волновод 14.7-сурет Талшықты-оптикалық волновод

Алайда, іс жүзінде кіші сыну индексі бар материалдың ядросы (1) және қабығы (2) тұратын екі қабатты жарық бағыттауыштары қолданылады (14.7-сурет): n1> n2> n3. «Өзек-қабығы» шекарасында толқындардың толық көрінісі қамтамасыз етіледі. Қабықтың болуы қабықтағы беткі толқын іс жүзінде ауамен шекараға жетпегендіктен, іргелес талшықтардан пучта жеке жіптерді оптикалық түрде оқшаулауға мүмкіндік береді.

Талшықты-волноводта озсимметриялық құрылымы бар Эон, Хонның жеке толқындары (режимдері) болуы мүмкін. Асимметриялық режимдер (m≥1) гибридті: HETP және ENmn.

Сыни толқын ұзындығы λ_kr ^ mn = 2πa√ (n_1 ^ 2-n_2 ^ 2) / ν_mn (14.1)

мұнда νmn Bessel функцияларының тамырлары болып табылады, олардың әртүрлі толқын түрлеріне арналған мәндері Кестеде келтірілген. 14.2.

Формуланы талдау (14.1) және vmn мәндері оптикалық талшықтың негізгі толқыны HE11 болып табылатындығын көрсетуге мүмкіндік береді, өйткені ол λcr = ∞ бар және, демек, кез келген жиілікте және радиустарда ядро коаксиальді сызықта T толқыны сияқты таралуы мүмкін.

Егер гибридтік толқындардың ең жақын жері HE21 болса симметриялы толқындардың E0n және H0n бар болуын болдырмау оңай. Ν21> ν01 болғандықтан, бір толқындық трансмиссия теңсіздікпен анықталады.

(14.2)

Оның (14.2) ядросының радиусы n1 / n2-ге байланысты екенін түсіндіреді. N1 / n2 бірлігіне жақындағанда, ядро радиусы үлкен, бір толқынды беру сақталады. Оптикалық талшықтарды дайындаудағы қиындықтар ядро радиусының төмендеуімен артады. Сондықтан, әдетте, талшықтар 10-2 ... 10-3 тәртібіндегі салыстырмалы айырмашылықтармен (n1-n2) / n1 материалдардан дайындалады.

Толқын түрі	m	n
		1	2	3
Е,Н	0	2,405	5,520	8,654
НЕ	1	0	3,832	7,016
ЕН	1	3,832	7,016	10,173
НЕ	2	2,455	5,538	8,665
ЕН	2	5,136	8,417	11,620

Сурет. 14.8 Бір режим және мультимоды жарықтандырғыштар

Жалғыз толқынды режимді қамтамасыз ететін жарық бағыттаушы бір режим режимі деп аталады.

Талшықты жарық бағыттаушылардың түрлері. Қазіргі уақытта оптикалық талшықтардың бірнеше түрі кеңінен қолданылады.

Бір реттік талшық (14.8-сурет, а) ең аз ауытқуды және, осылайша, берілудің максималды ені. Бірақ оптикалық талшықтар өте арзан тасымалдайтын орталар болғандықтан, олар тар диапазонда жұмыс істеу тұрғысынан қызығушылық тудырады. Бұл мультимодиалды талшықтарды қолдануға әкеледі. Суретте. 14.8, b сыну көрсеткішінің қадамдық профилі бар мультимоды талшықты көрсетеді. Көптеген режимдер мұндай оптикалық талшық арқылы таралуы мүмкінСуретте. 14.8, б, екі режимдерін (1 және 2) траекториясын көрсетеді. жеке режимдерін тобы жылдамдықта айырмашылық (intermode дисперсия) бұрмалау және талшықты өткізу жолағы сигнал әкеледі. Дегенмен, мультимоды талшықтары бір реттік талшықтан бірнеше артықшылыққа ие. Егер негізгі бір-режим талшықтар айтарлықтай өндірістік технологиясын қиындатады 2 ... 8 м тәртібі, бір баспалдақты сыну профилімен многомодовый оптикалық талшықтар шамамен 50 мкм негізгі диаметрі. үлкен негізгі диаметрі оптикалық талшықты, өндірістің құнын төмендетеді некогерентной оптикалық көздерімен береді және оптикалық талшықтар құрылғылар қосылыстар аз қатаң талаптар қояды.

Малой межмодовой дисперсией обладает градиентный свето­вод, характеризующийся плавным изменением показателя пре­ломления п от центра к периферии волокна (рис.14.8,в). Гра­диентный световод также является многомодовым, но плавный профиль показателя преломления минимизирует разность группо­вых скоростей различных мод. Это объясняется тем, что световые лучи следуют по искривленным траекториям (лучи 1 и 2 на рис. 14.8, в). Луч 2, распространяющийся близко к оси световода, про­ходит меньший путь, чем луч 1, и должен иметь большую ско­рость. Но он распространяется в области с большим показателем преломления (более плотная среда), что компенсирует разность скоростей. Градиентные многомодовые световоды более широко­полосны, чем многомодовые со ступенчатым профилем п, но тех­нология их изготовления сложнее и дороже.

Рис. 14.9Конструкция волоконного световода

Практическая конструкция волоконного световода представле­на на рис. 14.9.

Сердцевина (1) и оболочка (2) изготавливаются из высоко­чистых стекол во избежание потерь из-за примесного поглощения. Толщина оболочки примерно в 10 раз должна превышать радиус сердцевины. Наружный слой (3) может быть менее чистым и иметь тот же показатель преломления, что и оболочка. Его на­значение— увеличить диаметр световода для удобства работы с ним.

Многомодовые световоды со ступенчатым профилем показа­теля преломления могут иметь более простую конструкцию:

световод с пластиковой оболочкой, не требующий наружного слоя;

полимерный световод, который не требует особых мер предо­сторожности при работе с ним и поэтому не имеет наружного слоя и защитного покрытия (4).

Такие световоды узкополосные, но весьма экономичны.

Волоконные световоды, пучки которых конструктивно выпол­няются в виде кабеля, применяются в качестве

Рис 14.10Конструкции плоских световодов

Плоские световоды. Плоский световод представляет собой ди­электрический волновод прямоугольного сечения. Различают две конструкции плоских световодов: планарный или пленочный (рис.14.10,а); канальный (рис.14.10,6). Принцип действия этих свето­водов одинаковый. Пленка (1) и подложка (2) выполняются из оптически прозрачных диэлектриков с разными показателями пре­ломления: п1>п2>п3. Обычно а»d (см. рис. 14.10, а), поэтому по­ле вдоль оси оу практически однородно, и волны в таких свето­водах обозначаются Е_то, Н_то (т — число полных стоячих полу­волн поля вдоль оси х). В отличие от металлических волноводов поле на границе пленки (х=о и x=d) не равно нулю, так как на границе пленки существует поверхностная волна. В плоских све­товодах могут существовать волны Е_оо и Н_оо, у которых вдоль размера d укладывается неполная стоячая полуволна и m = о.

Рис. 14.11Эпюра распределения поля волны Н_оо

Эпюра распределения поля волны Н_оовдоль оси х показана на рис. 14.11. «Хвосты» в распределении поля за пределами пленки (х<о, x>d) соответствуют поверхностной волне, поле которой экспоненциально убывает в направлении нормали к границе раз­дела.

Для характеристики режима работы световода вводится поня­тие критической толщины пленки d_kp, соответствующей значению λ_кр. Для волн Е_mо и Н_mо

,

,

а число типов волн (мод) .В плоских световодах > Основной является волна, обладающая максимальной λ_кр и минимальной d_kр.

Расчеты показывают, что одномодовый режим обеспечивается при очень малой толщине пленки, которую технологически трудно реализовать. Эту трудность можно преодолеть следующим об­разом. С увеличением индекса т на единицу d_kр возрастает на величину , откуда следует, что при Δd увеличивается. Обычно используют материалы с относительной разностью показателей преломления порядка 10^-2... 10^-3. При этом легко отфильтровываются волны Н₁₀,Е₁₀, Н₂₀ и т. д. Для устранения волны E_оо поверхность пленки металлизируют. Ме­таллическое покрытие вызывает ослабление волны E_оо. Все эти меры приводят к тому, что при толщине пленки, соответствующей многомодовому режиму, в световоде распространяется только ос­новная волна в широком диапазоне частот.

Плоские световоды являются основой почти всех устройств интегральной оптики: модуляторов, переключателей, фильтров, направленных ответвителей, соединителей, устройств сопряжения волоконных световодов с источниками (лазерами) и приемника­ми световых волн (фотодиодами), которые обычно имеют плос­кую конструкцию.