Физике. физика. Электродинамика Электрические токи в металлах, вакууме и газах. Электрический ток в жидкостях

• Название: Электродинамика Электрические токи в металлах, вакууме и газах. Электрический ток в жидкостях
• Анкор: Физике
• Дата: 30.06.2022
• Размер: 4.58 Mb.
• Имя файла: физика.docx
• Тип: Документы; #621722
• страница: 19 из 19

15.Показатель преломления объемной среды. Кварцевые и пластмассовые волокна. Моды.

Простейшее оптические волокна (ОВ) представляет собой круглый диэлектрический (стекло или прозрачный полимер) стержень, называемый сердцевиной, окружённый диэлектрической оболочкой. Показатель преломления материала сердцевины   , всегда больше показателя преломления оболочки   .

    Показатель преломления оболочки обычно постоянен, а показатель преломления сердцевины в общем случае является функцией поперечной координаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления.

    Если сердцевина имеет постоянное по диаметру значение показателя преломления, то такие ОВ называют ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления или ступенчатым.

    Если показатель преломления сердцевины от центра к краю изменяется плавно, то такие ОВ называют ОВ с градиентным профилем показателя преломления или градиентным.

Зная значения показателей преломления сердцевины и оболочки ОВ, найдем числовую апертуру:



где: n₁=1,49 – показатель преломления сердцевины ОВ;

n₂=1,486 – показатель преломления оболочки ОВ.

Отсюда найдем значение апертурного угла:



В зависимости от числа распространяющихся на рабочей частоте мод ОВ имеют два режима работы: одномодовые и многомодовые. Число мод зависит от соотношения диаметра сердцевины и длины волны. В настоящее время принято при длинах волн равным 0,85 – 1,55 мкм применять ОВ с диаметром сердцевины 8 - 10 мкм для одномодовой передачи.

Значение нормированной частоты рассчитывается по формуле:

 ,

где:   – радиус сердцевины ОВ;

  - длина волны.

Определим число мод:

  - для ступенчатого ОВ

      - для градиентного ОВ

Определим критическую частоту ОВ:

  

где:    – скорость света;

  - длина волны.

Определим критическую длину волны ОВ:



где: d = 8 мкм – диаметр сердцевины ОВ;

NA = 0,109 – числовая апертура ОВ.



В ходе расчета получили, что данные, представленные в задании соответствуют параметрам одномодового волокна:

    1.Числовая апертура должна быть как можно меньше, и зависит она от Δ для одномодового режима Δ=(0.010.003),в нашем случае 0.0027 ,что соответствует режиму одномодовости.

    2.Одномодовый режим реализуется, если нормированная частота γ≤2.405,т.е.при этом волноводе распространяется только одна фундаментальная мода H₁₁. Чем меньше разность   ,тем при большем радиусе световода обеспечивается одномодовый режим. Если нормированная частота лежит в пределах 2.405<γ<5.520 в ОВ распространяются моды E₀₁ и H₀₁,т.е. это уже не одномодовый режим (в нашем случае1.763).

Расчет затухания

Собственное затухание ов зависит от l, n₁ и рассчитывается по формулам:

a_с=a_п+a_р+a_пр

где: a_{п -} затухание поглощения, зависит от чистоты материала и обуславливается потерями на диэлектрическую поляризацию.



где: tgd примем равным tgd=10^-12 .

l - длина волны, км.

a_р – затухание рассеивания, обусловлено неоднородностями материала и тепловыми флуктуациями показателя преломления;

 ,

где: K_р – коэффициент рассеяния, примем его равным (0,8 мкм⁴дБ/км );

a_пр – затухание примеси, возникает за счет наличия в кварце ионов различных металлов и гидроксильных групп. Из-за примесей возникают всплески ослабления на волнах 0,95 и 1,4 мкм. При этом наблюдаются три окна прозрачности световода с малыми с малыми ослаблениями в диапазонах волн 0,8 – 0,9, 1,2 - 1,3, 1,5 – 1,6 мкм. Так как длина волны равна    (третье окно прозрачности), можно принять a_пр=0, тогда

a_с=a_п+a_р = 0,026+0,139=0,165 дБ/км.

 кабельное затухание a_к – обусловлено условиями прокладки и эксплуатации оптических кабелей.

кабельное затухание рассчитывается как сумма 7 составляющих:

a_к=Sa_i , i=1¸7;

 

где: a₁ – затухание вследствие термомеханических воздействий на волокно в процессе изготовления кабеля;

a₂ – затухание вследствие температурной зависимости коэффициента преломления ОВ;

a₃ – затухание на микроизгибах ОВ;

a₄ – затухание вследствие нарушения прямолинейности ОВ;

a₅ – затухание вследствие кручения ОВ вокруг оси;

a₆ – затухание из-за неравномерности покрытия ОВ;

a₇ – затухание вследствие потерь в защитной оболочке.

В курсовом проекте примем 

Расчетное суммарное затухание:

 

a =a_с+a_к =0,165+0,25= 0,415 дБ/км

 

В нашем случае получилось большое затухание в третьем окне прозрачности, чего в реальной жизни быть не может. Возьмем реальное значение затухания в оптическом волокне α=0.22Дб/км.

Расчет дисперсии

Дисперсия – рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала.

В одномодовых ОВ имеет место только хроматическая дисперсия, обусловленная некогерентностью источника излучения.

В свою очередь хроматическая дисперсия состоит из материальной, волноводной и профильной дисперсии.

Материальная дисперсия обусловлена тем, что показатель преломления сердцевины изменяется с длиной волны.

t_мат=Dl×М(l), пс/км ;

где: М(l) – удельная дисперсия материала, для длины волны 1,55 мкм М(l) = 18   ;

Dl - ширина спектра источника излучения, нм.

Dl=1¸3 нм для ППЛ;

Dl=20¸40 нм для СИД.

t_мат=Dl×М(l) =   , пс/км

волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны:

t_вол=Dl×В(l) =   , пс/км;

где: В(l) – волноводная дисперсия, для длины волны 1,55 мкм В(l) = 12   ;

профильная дисперсия проявляется в реальных ОК и обусловлена отклонением продольных и поперечных геометрических размеров и форм реального ОВ от номинала.

t_пр=Dl×П(l) =   , пс/км;где: П(l) = 6,5    – удельная профильная дисперсия.

Результирующая хроматическая дисперсия:

 , пс/км.

На основании рассчитанных параметров передачи выбирается тип оптического кабеля.

16.Полупроводниковые лазеры для оптической связи.

Лазеры на основе GaAlAs/GaAs, работающие в области длин волн 780...880 нм, применяют в системах оптической связи небольшой протяженности (бортовых, внутриобъектовых и внутригородских линиях связи). Чтобы в волоконно-оптических системах связи ис­пользовать оптический диапазон наиболее выгодный по дисперсии и потерям, в кварцевых волоконных световодах необходимо перейти к более длинноволновому излучению. Интерес к лазерным источникам длинноволнового диапазона вызван тем, что кварцевые волоконные световоды в диапазоне длин волн 1100... 1350 нм обладают мини­мальной дисперсией, а при = 1500...1700 нм — минимальными по­терями. Это является решающим при создании линий большой емко­сти и большой протяженности — магистральных и междугородних линий связи. Минимальные оптические потери 0,16 дБ/км световоды на основе кварцевых стекол имеют при длине волны 1570 нм. При такой длине волны десятикратное увеличение мощности одномодового длинноволнового лазера позволяет увеличить длину передачи сигнала на 60 км. С помощью мощных длинноволновых лазеров дан­ные могут передаваться на расстояния до 300 км практически без по­терь интенсивности сигнала. Лазерные диоды на указанный диапазон длин волн (1100...1700 нм) создают на основе изопериодных гетеро-структур четверных твердых растворов InGaAsP.

Достоинством InGaAsP и InP по сравнению с GaAlAs является от­сутствие алюминия, обладающего высокой химической активностью. Поэтому при выращивании InGaAsP и InP не требуется тщательной изоляции от кислорода и паров воды.

Хорошо согласованные решетки получают при соотношении кон­центраций в In Ga As Р соответственно у= 2,2х. Гетеролазеры по­лучены на основе двойной и скрытой гетероструктур для диапазонов 1200...1300 и 1500...1700 нм. Активные слои изготавливают из InGaAsP, а ограничивающие (слои покрытия) из InP. Подбором соста­ва In Ga AS P реализуют лазерное излучение на нужной длине волны.

14

Лазерный диод с длиной волны излучения 1300 нм

На рис. 9 показана типичная структура полоскового лазерного диода со скрытой гетероструктурой, излучающего при длине волны 1300 нм. При ширине полоски от 1 до 2 мкм пороговый ток изменяет­ся в пределах 20.. .50 мА, режим работы одномодовый. Диод способен надежно работать при плотности мощности 10¹⁰ Вт/м² и размерах лазерного пятна 0,9 х 2,0 мкм. Выходная мощность ограничена глав­ным образом разогревом активного элемента.




 

Рис. 9. Структура лазерного диода со скрытой гетероструктурой InGaAsP с длиной волны излучения 1,3 мкм, с шириной полосы менее 2 мкм (выполнен с лазерным кристаллом на кремниевой подложке и повернутым р-слоем вверх):

1 - n-подложка; 2 - n-слой; 3 - р-слой; 4 - активный слой InGaAsP; 5 - p-электрод; б n-электрод; 7 - припой

 

При комнатной температуре ватт-амперная характеристика линей­на до выходной мощности 20 мВт и внешний дифференциальный кван­товый выход составляет от 20 до 25 %. Лазер указанной конструкции стабильно и надежно работает при выходной мощности 5 мВт.

Лазеры с углубленной серповидной активной областью имеют улучшенные характеристики: низкую пороговую величину тока; одномодовый режим генерации; возможность работать при высокой температуре с высокой выходной мощностью; возможность высоко­скоростной модуляции; высокую надежность.

Серповидный активный слой из InGaAsP погружен и находится между верхним и нижним слоями покрытия из фосфида индия. С двух сторон от активного слоя образованы п.- и p- слои фосфида индия в качестве слоев, ограничивающих ток. Изменяя состав активного слоя InGaAsP, можно реализовать генерацию лазерного излучения на дли­нах волн 1200,1300 и 1500 нм.

Полупроводниковый кристалл лазера монтируют в корпусе, по­добном корпусу транзистора, подключая его к выводам корпуса. Кроме того, в корпусе одновременно монтируют Inga As фотодиод для управления (контроля) выходным излучением.
На рис. 10 показаны результаты долгосрочной работы лазеров с углубленным серповидным активным слоем, генерирующих излуче­ние с длиной волны 1200 и 1300 нм.

15

Несмотря на то что работа лазеров была испытана при высокой температуре (70 °С) и выходной мощности 5 мВт после 4000 ч работы, для обоих лазеров были полу­чены малое изменение рабочего тока накачки, стабильная работа и высокая надежность.

 



 

Рис. 3.21. Рабочий ток накачки гетеролазера InGaAsP/InP при 70 "С и выходной мощности Р = 5 мВт:

а - лазер с длиной волны излучения 1,2 мкм; б - лазер с длиной волны излучения 1,3 мкм при эксплуатации в течение 4000 ч