МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ РЕФРАКЦИОННЫМ МЕТОДОМ

Андросик Андрей Борисович

канд. техн. наук., доцент, Государственный открытый Университет, г. Москва

Воробьев Сергей Андреевич

канд. техн. наук., доцент, Государственный открытый Университет, г. Москва

Мировицкая Светлана Дмитриевна

канд. техн. наук., доцент, Государственный открытый Университет, г. Москва

E-mail:vorsa_57@mail.ru

Оптические волноводы в виде стеклянных волокон используются в качестве передающей среды в системах оптической связи. Обладая малыми потерями и низкой дисперсией, они способны передавать широкополосные сигналы оптического диапазона на большое расстояние. По этим характеристикам стеклянные волокна существенно отличаются от планарных и полосковых волноводов.

Многомодовые волоконные световоды (ВС) находят широкое применение в различных приложениях волоконной оптики [3, стр. 385]. В первую очередь это относится к стандартным градиентным многомодовым ВС, а также многомодовым ВС, оптимизированным для работы с лазерными источниками оптического излучения, которые эффективно используются в высокоскоростных локальных сетях передачи данных. Другое направление – это много- и маломодовые ВС специального назначения, отличающиеся сложным профилем показателя преломления (рис. 1). Подобные ВС находят широкое применение в отдельных компонентах высокоскоростных одномодовых ВОСП, таких как компенсаторы хроматической дисперсии на модах высших порядков.

Наиболее простой и распространенной конструкцией одномодового ВС является ступенчатый с согласованной оболочкой (рис. 1, а). Такая конструкция модифицирована в трех направлениях, что привело к созданию одномодовых волокон с немодифицированной, смещенной и сглаженной дисперсией. Одномодовые ВС с немодифицированной дисперсией делятся на ВС с депрессированной (рис. 1, б), глубоко депрессированной (рис. 1, в), многоступенчатой (рис. 1, г), фторированной (рис. 1, д) оптическими оболочками.

Для согласования наименьших потерь в ВС с длиной волны дисперсии применяются световоды со смещенной дисперсией. Увеличение волноводной дисперсии, необходимое для согласования, получается вследствие распространения света вне сердцевины со ступенчатым профилем и высоким значением показателя преломления сердцевины (рис. 1, е). Применение сегментного и конвексного профилей увеличивает стойкость ВС к воздействию поперечной раздавливающей силы и изгибающих нагрузок.

Рисунок 1. Профили показателей преломления одномодовых ВС без сохранения поляризации излучения

Применение сегментного и конвексного профилей увеличивает стойкость ВС к воздействию поперечной раздавливающей силы и изгибающих нагрузок.

ВС с усложненным профилем показателя преломления представляют интерес для ряда специальных применений, поскольку выбором параметров световодов можно оптимизировать свойства каналов передачи информации, придав им новые функции. Двухканальные световоды с концентрической геометрией рассмотрены в [2, стр. 30]. Сердцевина и кольцевой световод изготавливаются многомодовыми, а их параметры подбираются таким образом, чтобы обеспечить удобное возбуждение источниками излучения и оптическую развязку между каналами на определенном уровне, достаточном для раздельной передачи цифровых и аналоговых световых потоков в системах двухканальной или дуплексной связи. Вследствие малых поперечных размеров и веса, а также того, что ВС являются полностью диэлектрическими и не подвержены электромагнитным наводкам, двухканальные концентрические световоды представляют несомненный интерес для применения в системах связи и телеуправления подвижными объектами, в авиации, космических летательных аппаратах и др.

Разновидностью концентрических световодов является одномодовый ВС с дополнительным световедущим тонким кольцевым световодом (трубкой), который находится на малом расстоянии от одномодовой сердцевины. Работа такого двухканального ВС основана на распределенной связи между каналами, которая реализуется при близких или равных постоянных распространения, приводя к периодической по длине световода перекачке излучения из сердцевины в кольцо и обратно.

В последние годы перспективными стали брэгговские световоды, позволяющие снизить ограничения, присущие традиционным кварцевым ВС. Брэгговские световоды представляют собой одномерный фотонный кристалл, излучение в котором распространяется в полой сердцевине или сердцевине с показателем преломления меньшим, чем у оболочки. Это оказывается возможным, поскольку оболочка служит многослойным диэлектрическим зеркалом, работающим по принципу брэгговских резонансов [1, стр. 178].

Несколько лет назад  были созданы [4, стр. 152] ВС из кварцевого стекла с контрастом показателя преломления Dn, значительно превышающим (более чем на порядок) Dn в обычных ВС. Последнее достигается за счет наличия в оболочке таких световодных сплошных, однородных по всей длине световода, продольных отверстий, в том или ином порядке расположенных в поперечном сечении относительно оси. Эти перспективные ВС называются дырчатыми или микроструктурированными. Большой контраст показателей преломления сердцевины и оболочки определяет уникальные оптические свойства дырчатых ВС. Варьируя геометрией элементов оболочки (размеры отверстий, их количество и относительное расположение), можно управлять дисперсионными свойствами – смещать нулевое значение дисперсии ВС в обе стороны спектра по отношению к нулевой материальной дисперсии, менять наклон дисперсионной кривой, добиваться ее неоднократного пересечения с осью длин волн. Одномодовый режим распространения излучения в микроструктурированных ВС возможно обеспечить как со сравнительно большой, так и малой эффективной площадью поперечного сечения поля моды в широком спектральном диапазоне. Высокая симметричность расположения отверстий в оболочке и их одинаковые размеры не являются критичными при создании данного типа ВС. Эти уникальные оптические свойства определяют перспективность микроструктурированных ВС для целого ряда практических применений в волоконной оптике, а также спектроскопии и при создании нелинейных волоконных устройств для среднего ИК диапазона.

В качестве базовой модели для всех описанных выше категорий волоконных световодов можно рассмотреть многослойный ВС с постоянным показателем преломления слоев. Количество слоев выбирается, исходя из профиля показателя преломления. Чем больше разница между начальным и конечным показателями преломления, тем большее число слоев следует ввести для обеспечения требуемой точности измерений.

Перспективным методом исследования геометрических параметров и структуры ВС является рефракционный метод зондирования неоднородных диэлектрических цилиндров и анализа зависимости угла рефракции от распределения показателя преломления по сечению ВС. Угловые и линейные параметры рефрагировавшего пучка чувствительны к изменению числа слоев и формы поперечного сечения многослойных диэлектрических структур [5, стр. 18]. Метод базируется на точных измерениях распределения поля в функции угла рассеяния в ближней зоне и позволяет определить диаметр ВС, степень его эллиптичности, структуру зоны раздела сердцевина-оболочка, дефекты сердцевины и оболочки, а также распределение показателя преломления в поперечном сечении ВС.

В общем случае схема зондирования слоистого ВС представлена на рис. 2.

Рисунок 2. Схема зондирования трехслойного ВС

Основные зависимости геометрических параметров – углов падения и преломления, проекций пути луча на горизонтальную и вертикальную оси, координат отклонения луча, а также условий входа луча в сердцевину, сведены в таблицы 1 и 2.

При зондировании слоистого ВС формируется ряд характеристических лучей, которые вносят энергетический вклад в суммарную картину рассеяния в ближней зоне.

Основные типы лучей в случае трехслойного ВС с учетом переотражений от слоев снаружи (S_i) и изнутри (q_i) показаны на рис. 3. При моделировании учитывалось не более двух переотражений, поскольку интенсивность лучей более высокого порядка отражений ничтожно мала (менее 0,8 % от суммарной величины) [6, стр. 73].

Таблица 1.

Основные углы падения и преломления лучей

Таблица 2.

Проекции путей луча и координаты отклонения

Рисунок 3. Основные характеристические лучи зондирования трехслойного ВС

Было проведено моделирование слоистых световодных структур, результаты которого представлены на рис. 4. Расчеты проводились для случая трехслойного ВС с радиусами слоев R₁=600 мкм, R₂=400 мкм, R₃=100 мкм показателями преломления внешней среды n₀=1,15 и слоев n₂=1,4, n₃=1,6. Расстояние до плоскости формирования результирующей картины выбрано постоянным и равно L=100 мм.

Рисунок 4. Картины рассеяния на трехслойных ВС

Исследовалось изменение показателя преломления первого слоя при n₁=1,2 (а), n₁=1,19 (б), n₁=1,21 (в). Как видно из результатов моделирования распределения интенсивности в ближней зоне метод является высоко чувствительным к изменению показателя преломления. Вариация n₁ в третьем знаке приводит к изменению интенсивности картины в зоне прохождения лучей, претерпевших преломление в сердцевине.

Список литературы:

1.  Андросик А. Б., Воробьев С. А., Мировицкая С. Д. Основы волноводной фотоники. - М.: МГОУ, 2009. 246 с.

2.  Андросик А. Б., Воробьев С. А., Мировицкая С. Д. Математические основы волноводной фотоники. - М.: МГОУ, 2011. 370 с.

3.  Бутвина Л. Н. и др. Одномодовый микроструктурированный световод для среднего ИК диапазона.- Квантовая электроника. - 2007, 37. № 4.

4.  Желтиков А. М. Оптика микроструктурированных волокон.- Москва, Наука, 2004.

5.  Лазарев Л. П., Мировицкая С. Д. Контроль геометрических и оптических параметров волокон. - М.: Радио и связь, 1988. 280 с.

6.  Мировицкая С. Д., Филиппов М. В. Исследование рефракции зондирующего пучка на диэлектрических цилиндрах различных типов. - Радиотехника. - 1987. № 11