Волоконная оптика и её использование в оптоинформатике

1.

Волоконная оптика и её использование в
оптоинформатике.
• История
•Принцип работы оптических волоконных
световодов (волокон)
•Основные типы волокон
•Технология получения
•Потери в волокнах
•Дисперсия волокон
•Модовое двулучепреломление
•Нелинейные эффекты в волокнах

2. История волоконной оптики

• 1842 Опыт Д. Колладона и заметки Бабине
• 1927 Первые стеклянные волокна без
оболочки
• 1958 Волокна с оболочкой (Б. О’Брайн, Х.
Хансен)
• 1964 Первый волоконный лазер
• 1970 Волокно с потерями 20 дБ/км
• 1979 Волокно с потерями 0,2 дБ/км (1,55 мкм)
• 2000 «Безводное» волокно с потерями < 0,2
дБ/км

3.

Эксперимент Колладона с водной струей

4.

Углы полного внутреннего отражения
для разделов стекло-воздух и алмаз-воздух
Закон
Снеллиуса
n i sin i n r sin r
Критический угол полного
внутреннего отражения
n i sin i
r arcsin(
)
nr

5.

Влияние оболочки

6.

Устройство простейшего
оптического волокна
Световые пучки должны падать под углами, обеспечивающими
полное внутреннее отражение от раздела серцевина-оболочка

7.

Основные параметры волокон
n1 n 2
n1
Типичное значение
2
2
2
V
a (n1 n2 )
При V < 2,405 волокно одномодовое (a =2…10 мкм)

8.

Основные типы волокон

9.

Основные типы волокон
Распространение света в градиентном волокне

10.

Материалы и изготовление
SiO2
SiO2 +GeO2, P2O5

11.

Модифицированный метод химического
осаждения из газовой фазы (MCVD)
изготовления заготовки

12.

Оптические потери в
кварцевом волокне
дБ
Pвых
10 log(
)
Pвх
Рэлеевские потери
R C /
4
С = 0,7 – 0,9 дБ/(км мкм4)
R
= 0,12 – 0,15 дБ/км
(1,55 мкм)

13.

Оптические потери в новом волокне
фирмы Lucent

14.

ХРОМАТИЧЕСКАЯ ДИСПЕРСИЯ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
Формула Зельмейера
Постоянная распространения моды излучения в волокне
Дисперсионный параметр

15.

Зависимость показателя преломления п и
группового показателя преломления пg
кварцевого стекла от длины волны.

16.

Зависимость дисперсионного параметра D
одномодового волокна от длины волны

17.

Волокно со смещенной областью
нулевой дисперсии к 1,55 мкм

18.

Способы управления волноводной дисперсией
Зависимости показателя преломления волокна от радиуса
n
r

19.

Зависимость дисперсионного параметра D
от длины волны для разных типов волокон
Параметр расстройки
групповых скоростей
Длина дисперсионного
разбегания

20.

Модовое двулучепреломление
Степень модового
двулучепреломления
Схема эволюции состояния поляризации света
вдоль двулучепреломляющего световода.
Сохраняющие
поляризацию
волокна

21.

Нелинейные эффекты в волокнах
Индуцированная поляризация
Фазовая самомодуляция
Фаза оптического поля
Нелинейный набег фазы
Нелинейный показатель
преломления

22.

Спектральное уширение в волокне вследствие
фазовой самомодуляции
Эксперимент
Расчет

23.

Нелинейные эффекты в волокнах
Вынужденные рассеяния ВКР и ВРМБ.
ВКР – вынужденное комбинационное рассеяние
ВРМБ – вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна
Лазер накачки
P
Волокно
P S
P длина волны накачки
S - длина волны Стокса

24.

Уравнение для начального роста
стоксовой волны
IS,P – интенсивности волн Стокса и накачки, gR – коэффициент
усиления стационарного ВКР, S,P – потери на стоксовой частоте и
частоте накачки
Решение в приближении
заданной накачки
Результат численного моделирования
ВКР генерации в реальном кварцевом
волокне

25.

Принципиальная схема ВКР-усилителя с
Использованием накачки на нескольких
длинах волн с различной поляризацией.
Изоляторы
Фарадея

26. Литература

• Агравал Г. Нелинейная
волоконная оптика.-М.: Мир, 1996.
-323 с. Раздел «Введение»