Światłowody kapilarne



Pobieranie 21,19 Mb.
Strona48/53
Data24.02.2019
Rozmiar21,19 Mb.
1   ...   45   46   47   48   49   50   51   52   53

5.5.1 Rodzaje światłowodów kapilarnych dla telekomunikacji


W światłowodzie telekomunikacyjnym liczą się dwa parametry podstawowe, tłumienność i dyspersja oraz kilka parametrów pomocniczych, wśród których tutaj wymienimy poziom transmitowanej mocy optycznej, przy której występują optyczne zjawiska nieliniowe, w materiale włókna, degradujące transmisję cyfrową [1]. Te zjawiska nieliniowe to: samomodulacja fazowa, skrośna modulacja fazowa oraz mieszanie czterofotonowe. Na tłumienność składają się rozpraszanie i absorpcja w materiale światłowodu i w światłowodzie krzemionkowym suma obu tych składników, dla długości fali minimalnego tłumienia λs(min)~1,55 μm, wynosi poniżej 0,15 dB/km [2]. Na dyspersję sygnału składają się czynnik materiałowy i falowodowy. Może ona być zerowana punktowo, wielopunktowo i pasmowo, na ogół kosztem niewielkiego wzrostu tłumienności. Rozważany tu telekomunikacyjny światłowód kapilarny ma odmienne właściwości odnośnie wymienionych wyżej parametrów transmisyjnych, budząc nadzieje na nową generację optycznych telekomunikacyjnych systemów kablowych [3,4].

Telekomunikacyjnym światłowodem kapilarnym nazwiemy taki rodzaj światłowodu, w którym fala świetlna, wielomodowa lub jednomodowa, powodowana dowolnym mechanizmem – refrakcyjnym lub refleksyjno-dyfrakcyjno-interferencyjnym, jest prowadzona w kapilarnym otworze próżniowym (powietrznym) ciągnącym się osiowo wzdłuż włókna (szklanego, polimerowego, kompozytowego, pokrytego metalem szlachetnym lub metalem i polimerem). Mechanizm prowadzenia fali optycznej zależy od konstrukcji włókna. W światłowodzie kapilarnym jest w zasadzie czysto refleksyjno-interferencyjny, podczas gdy w światłowodzie fotonicznym porowatym może być także refrakcyjny, gdy obszar porowaty wypełniony powietrzem wokół litego, szklanego rdzenia ma mniejszy efektywny współczynnik załamania światła dla prowadzonej fali. Jedynym wyjątkiem refrakcyjnego prowadzenie fal w światłowodzie kapilarnym jest zakres bardzo małych długości fal (VUV, X), lub dużych długości fal (MIR, FIR), gdzie współczynniki załamania szkieł i innych materiałów przyjmują wartości mniejsze od 1. Ten mechanizm (tzw. całkowite odbicie zewnętrzne, w odróżnieniu od całkowitego odbicia wewnętrznego, gdzie kryterium wnętrze – zewnętrze jest gęstość ośrodka z którego pada fala optyczna) jest jednakże efektywny wyłącznie dla bardzo małych kątów propagacji (grazing angles), czyli także dla małych wygięć światłowodu. Powyżej kąta krytycznego, dla całkowitego odbicia zewnętrznego, gwałtownie wzrastają straty transmisji.

W potencjalnym zastosowaniu telekomunikacyjnym [5-12] można mówić prawdopodobnie wyłącznie o wykorzystaniu refleksyjno-interferencyjnego mechanizmu (nazywanego dalej fotonicznym) transmisji fali optycznej w jednomodowym włóknowym światłowodzie kapilarnym. Mówimy o istnieniu w płaszczu, wokół rdzenia kapilarnego, dwuwymiarowej fotonicznej przerwy zabronionej dla określonych długości fal i kierunków propagacji (analogicznie do elektronowej przerwy zabronionej w półprzewodnikach). Ze względów praktycznych, przerwa zabroniona tworzona jest technologicznie (wymiary i ilość otworów, stosunek szkło/powietrze) dla długości fali minimalnego tłumienia (strat własnych) światłowodu λs(min). W światłowodzie kapilarnym nie występuje konieczność przesuwania minimum dyspersji w kierunku minimum tłumienia (jak w klasycznym światłowodzie telekomunikacyjnym), ponieważ nawet 99% mocy fali optycznej może być propagowana w powietrzu (próżni) rdzeniowego mikrootworu kapilary.

Konstrukcja takiego światłowodu jest proponowana obecnie w dwóch rozwiązaniach i jest bardzo podobna do światłowodu klasycznego, bądź do światłowodu fotonicznego. W obu przypadkach rdzeń stanowi jednomodowy otwór kapilarny. W pierwszym przypadku płaszcz jest cylindrycznym wielowarstwowym zwierciadłem Bragga. To rozwiązanie nazywane jest OmniGuide, od nazwy firmy, która zbudowała pierwsze prototypy takiego światłowodu. Drugie rozwiązanie zakłada płaszcz o budowie polikapilarnej. Periodyczny układ polikapilar tworzy fotoniczne pasmo zabronione wokół rdzenia. To rozwiązanie nazywane jest holey. Pierwsze rozwiązania tego typu, bliskie komercjalizacji, zaproponowała firma BlazePhotonics.

Historycznie rozważane było także rozwiązanie pośrednie ultraniskostratnego światłowodu jednomodowego dla modu HE11 o pierścieniowym profilu refrakcyjnym i o refrakcyjnym charakterze propagacji.

5.5.2 Dlaczego światłowód kapilarny w telekomunikacji?


Rozważmy czynniki ograniczające szybkość transmisji w klasycznym światłowodowym kanale telekomunikacyjnym oraz w jaki sposób te czynniki ulegają zmianie przy wykorzystaniu w kanale transmisyjnym światłowodu kapilarnego.

Prędkość rozprzestrzeniania się światła w światłowodzie telekomunikacyjnym wynosi 2/3 prędkości światła w próżni, gdyż współczynnik załamania światła ultraczystego szkła krzemionkowego słabo domieszkowanego wynosi 1,45. Dlaczego nie transmitować informacji szybciej?

Zasięg bezwzmacniakowy światłowodowej linii transmisyjnej, w światłowodzie klasycznym, o rdzeniu niedomieszkowanym erbem, jest ograniczony stratami jednostkowymi s [dB/km], które są 0,2 dB/km, dla długości fali w okolicy zera dyspersji materiałowej i osiągają minimalną wartość ok.0,15 dB/km. W próżni transmisja fali optycznej nie podlega rozpraszaniu Rayleigha. Ocenia się że, straty jednostkowe transmisji optycznej mogą być w światłowodzie kapilarnym co najmniej dziesięciokrotnie mniejsze, czyli osiągać poziom 0,01 dB/km. W światłowodzie kapilarnym 99% mocy optycznej może być prowadzonej w próżni. Obecnie jednak najlepsze komercyjne telekomunikacyjne światłowody kapilarne z porowatym płaszczem mają straty jednostkowe nieco powyżej 1 dB/km.

Zasięg bezwzmacniakowy światłowodowej linii transmisyjnej jest również ograniczony dopuszczalnym maksymalnym poziomem mocy optycznej możliwej do sprzęgnięcia do włókna optycznego. Powyżej pewnego poziomu mocy w materiale światłowodu dochodzi do optycznych zjawisk nieliniowych takich jak: samomodulacja fazowa, skrośna modulacja fazowa, mieszanie czterofotonowe. Zjawiska nieliniowe powodują nasycanie się charakterystyki wzrostu pojemności kanału transmisyjnego w funkcji mocy sygnału. Gdyby pominąć zjawiska nieliniowe, to w idealnym układzie liniowym pojemność transmisyjna dąży do nieskończoności w funkcji transmitowanej mocy. W próżni zjawiska nieliniowe nie są powodowane, jak w ośrodku materialnym, przez materiał światłowodu.

O zasięgu kanału transmisyjnego decyduje również zjawisko dyspersji sygnału. Dyspersja sygnału wynika z zależności współczynnika załamania światła od długości fali propagowanego światła. W światłowodzie propagowana fala jest monochromatyczna, jednak ma skończoną szerokość spektralną, będąc powodem rezydualnej dyspersji materiałowej. Drugim składnikiem dyspersji jest dyspersja falowodowa. Współczynnik załamania światła w próżni wynosi 1 dla wszystkich długości fal.

Przy przechodzeniu fali optycznej pomiędzy ośrodkami o różnym współczynniku załamania występuje zjawisko Fresnela, częściowego odbicia. W światłowodzie kapilarnym zjawisko Fresnela występuje przy sprzężeniu światłowodu z nadajnikiem i odbiornikiem optycznym.

Szkło światłowodu posiada strukturę amorficzną, molekularną. W takiej strukturze światło podlega rozpraszaniu Rayleigha oraz, dla większych długości fali, wywołuje zjawiska fononowe. Rozpraszanie jest źródłem szumu optycznego. W światłowodzie kapilarnym rozpraszanie Rayleigha ma charakter rezydualny.

Do wykonania światłowodu potrzebne są co najmniej dwa materiały, podlegające interakcji z falą optyczną, a w praktyce kilka. Materiały te tworzą strukturę rdzenia (np. o gradientowym profilu refrakcyjnym) oraz płaszcza optycznego. Światłowód kapilarny (przynajmniej w rozwiązaniu porowatym) można wykonać całkowicie z jednego materiału – ultraczystego szkła krzemionkowego bez domieszek.


5.5.3 Ograniczenia pojemności informacyjnej kanału światłowodowego


Pojemność C [bit/s] lub [bit nm/s Hz] kanału telekomunikacyjnego (tutaj optycznego) określa się poprzez maksymalną szybkość z jaką informacja może być transmitowana bez błędu. Pojemność jest iloczynem dwóch wielkości: szerokości spektralnej pasma transmisji B [nm] lub [THz] oraz spektralnej efektywności transmisji E [bit/sHz], C=BE. Spektralna efektywność transmisji mówi ile efektywnych bitów informacji w postaci cyfrowej można przesłać zużywając 1 Hz z naturalnego dostępnego pasma transmisji danego kanału transmisyjnego.

Pojemność transmisyjna systemu zależy od poziomu szumów. Zakładając model kanału transmisyjnego (jeden użytkownik) z addytywnym białym szumem gaussowskim i ograniczeniem mocy średniej, pojemność informacyjna kanału wynosi: C=Blog2(1+S/N), gdzie B [1/s]-spektralne pasmo transmisji, S-moc sygnału, N-moc szumu, E=log2(1+S/N)-efektywność spektralna. W światłowodzie z rdzeniem domieszkowanym erbem S jest natężeniem wejściowym fali świetlnej, N jest natężeniem szumu wzmacnianej emisji spontanicznej w systemie transmisyjnym. Zakładając stosunek sygnału do szumu rzędu 100, tj. 20 dB, otrzymuje się E=6,6 bit/sHz.

Do celów dalekosiężnej transmisji światłowodowej używane jest (typowe dla włókien krzemionkowych) pasmo B (1,2 – 1,6) μm, czyli o szerokości Bλ=400 nm. Pasmu temu, w dziedzinie długości fal, odpowiada pasmo Bf=50 THz w dziedzinie częstotliwości. Z tego możliwego do zagospodarowania w całości pasma, w najbardziej efektywnych systemach stosowanych obecnie w praktyce, wykorzystywane jest 20 THz. W tym szerokim paśmie tłumienie jednostkowe światłowodu nie przekracza wartości 0,5 dB/km. Częstotliwość fali nośnej dla środka pasma transmisji wynosi ponad 150 THz. Ze względów praktycznych to szerokie pasmo jest dzielone na optyczne pod-pasma transmisyjne. Te czynniki praktyczne to: brak możliwości modulacji w sposób elektroniczny całego szerokiego pasma, z systemu korzysta wielu użytkowników.

Obecnie najbardziej skuteczną metodą podziału pasma optycznego jest zwielokrotnienie długości fal WDM- wavelength division multiplexing. Długości fal spełniające role fali nośnej są oddzielone optycznymi przerwami separującymi. Szerokość spektralna pojedynczego kanału w systemie WDM zawiera się w przybliżeniu w granicach Bi=(0,2-0,6) nm. W systemie Bi=0,2 nm, pasmo modulacji elektronicznej (np. TDM) wynosi 10 GHz a optyczna przerwa między kanałami 0,1 nm. W systemie Bi=0,6 nm, przy takiej samej przerwie optycznej między kanałami, elektroniczne pasmo modulacyjne może wynosić ok. 50 GHz. Wewnętrzna, w praktyce maksymalna, sprawność spektralna transmisji systemu WDM wynosi ok. EWDM=(0,5-0,7) bit/s·Hz. Absolutnym ograniczeniem tej wartości jest 1bit/sHz, w przypadku całkowitego zaniku optycznych międzykanałowych przerw separacyjnych. Z tej możliwej do zagospodarowania efektywności transmisyjnej systemu z wieloma użytkownikami, w najbardziej efektywnych systemach WDM stosowanych obecnie w praktyce, otrzymuje się EWDM=0,25 bit/s·Hz.

Mając do dyspozycji wymienione powyżej pasmo transmisyjne światłowodu klasycznego 50 THz, w paśmie spektralnym (1200-1600) nm, oraz S/N=20 dB, dla systemu z wieloma użytkownikami pojemność kanału będzie wynosić: C=BEEWDM. Dla systemu z jednym użytkownikiem wyniesie to: C=(6,6 bit/s·Hz) x (50 THz)=330 Tbit/s. System ze światłowodem klasycznym jest silnie nieliniowy, poprzez słabo nieliniową (ale akumulującą się ze znaczną zakładaną długością transmisyjną światłowodu) zależność współczynnika załamania w funkcji natężenia pola optycznego, w postaci n=no+n2I. Nieliniowość współczynnika załamania ogranicza wzrost wartości spektralnej efektywności transmisji E. W tej sytuacji otrzymanie teoretycznej wartości efektywności spektralnej transmisji E=6,6 bit/s·Hz wydaje się mało realne, w praktycznym rozwiązaniu systemu transmisyjnego, dla jednego użytkownika [1]. Dodatkowo, w systemie WDM efektywność spada w związku z podziałem pasma całkowitego na wielu użytkowników oraz moc kanałowa jest addytywna (jedno włókno optyczne), co pogarsza sytuację z punktu widzenia poziomu wystąpienia zjawisk nieliniowych, i aby uniezależnić się od parametrów systemu WDM (np. ilość kanałów) lepiej operować gęstością spektralną mocy optycznej w światłowodzie przypadającą na jednostkę pasma transmisyjnego P[mW/GHz].

Dla analogicznego systemu ze światłowodem kapilarnym nie posiadamy wszystkich wiarygodnych danych, tzn. sprawdzonych praktycznie, a nie tylko zakładanych teoretycznie. Przyjmując jednak hipotetycznie następujące dane:



  • znacznie wyższy poziom mocy progowej wystąpienia optycznych zjawisk nieliniowych (wynikający z propagacji poprzecznie aperiodycznej fali zanikającej w szkle a nie w próżni), np. 102 razy wyższy, co pozwala na transmisję mocy o poziomie 100 razy większym; Konsekwencją jest nasycanie się efektywności transmisji dla znacznie większych wartości współczynnika E.

  • potencjalnie szerszy zakres spektralny transmisji ultraniskostratnej, np. (950-1750) nm, czyli 800nm w dziedzinie długości fal co odpowiada 100 THz w dziedzinie częstotliwości; w tej wielkości uwzględniono straty jednostkowe światłowodu s[dB/km];

  • znacznie niższy poziom szumów optycznych, wynikły z praktycznie rezydualnego poziomu rozpraszania Rayleigha i wielofononowego, co być może pozwala przyjąć optymistyczne założenie S/N=30 dB.

Operując tymi parametrami, otrzymujemy dla telekomunikacyjnego światłowodu kapilarnego E=10 i C=BE=(100 THz) x (10 bit/s·Hz) = 1000 Tbit/s, z nasycaniem wartości współczynnika efektywności E dla poziomu mocy nie (0,1-1) mW/GHz jak w światłowodzie klasycznym, a raczej dla poziomu (10-100) mW/GHz.

Zakładając nasycanie się wartości efektywności spektralnej E dla światłowodu klasycznego do realistycznego poziomu E=(3-5) bit/s·Hz przy wartościach P[mW/GHz] w powyżej wymienionym zakresie, można próbować ostrożnie oszacować hipotetyczną, praktyczną wartość stosunku Ckapil/Cerb na 5, dla kilkukrotnie wyższych mocy optycznych propagowanych w światłowodzie kapilarnym. Czy ta jedynie hipotetyczna (ale znakomita) wielkość jest warta niezbędnych miliardowych inwestycji w dalsze badania technologiczne nad światłowodami kapilarnymi, oczywiście bez gwarancji sukcesu (jak to było ze światłowodami fluorkowymi, potencjalnie lepszymi od krzemionkowych)?



5.5.4 Telekomunikacyjny światłowód kapilarny z porowatym płaszczem


Periodycznie porowaty płaszcz optyczny tworzy wokół kapilarnego rdzenia dwuwymiarową fotoniczną przerwę zabronioną ograniczając skutecznie pole optyczne w otworze, niezależnie od refrakcji włókna. Ograniczenie pola w kapilarze następuje dla pewnego wąskiego zakresu długości fal, np. (1300-1800) nm, lub innego zakresu, zależnie od konstrukcji włókna. Podstawowym problemem technologicznym jest uzyskiwanie idealnej struktury włókna kapilarnego, tj. jak najmniejszych nieregularności budowy komórek oraz jak największej gładkości powierzchni rdzeniowego otworu kapilarnego i mikrokapilar płaszczowych.

Rys. 1. Światłowód kapilarny z porowatym płaszczem, przykłady rozwiązań konstrukcyjnych światłowodów transmisyjnych z różnym stosunkiem szkło/powietrze i o różnej średnicy rdzenia powietrznego. Potencjalne rodzaje SK dla nowej generacji telekomunikacji światłowodowej.

Tworzenie mikrokapilar jest procesem termodynamicznym, stąd pewien poziom nieidealności powierzchni wewnętrznych jest nieunikniony. Nieidealności strukturalne włókna są przyczyną wypływu mocy z modu podstawowego do niepropagowanych, stratnych modów wyższego rzędu lub do modów powierzchniowych propagowanych wyłącznie na granicy powietrze-szkło. Te dwa mechanizmy strat: optyczne mody powierzchniowe (MP) i powierzchniowa fala kapilarna (PFK) są obecnie podstawowym ograniczeniem w szerokim zastosowaniu światłowodów kapilarnych w telekomunikacji. Oba mechanizmy strat są związane z perturbacyjnym sprzężeniem modowym. Perturbacje w światłowodzie kapilarnym mogą być następujące: szorstkość powierzchni wewnętrznych szkło/powietrze, osiowe zmiany skali struktury, naprężenia, wygięcia, skręcenia, inne przyczyny prowadzące do zmiany efektywnego współczynnika załamania wzdłuż osi. Na rys.1 przedstawiono kilka rodzajów światłowodów kapilarnych z różnym stosunkiem szkło/powietrze i o różnych średnicach otworu kapilarnego.

5.5.5 Mody powierzchniowe w światłowodzie kapilarnym

Podobnie do światłowodu klasycznego, fotoniczny światłowód kapilarny ma skończoną liczbę dobrze zdefiniowanych prowadzonych, ultra-niskostratnych modów rdzeniowych i nieskończoną liczbę upływowych modów płaszczowych oraz modów radiacyjnych. W idealnym przypadku mody rdzeniowe przenoszą prawie całą moc optyczną w powietrzu. Mody rdzeniowe podstawowe w światłowodzie kapilarnym posiadają większy efektywny współczynnik załamania niż mody wyższego rzędu. Zaburzenia struktury szkła krzemionkowego jedynie słabo sprzęgają mody rdzeniowe do płaszczowych poprzez niewielki obszar geometrycznego pokrywania się pól. Dodatkową, specjalną grupą modów rdzeniowych (prowadzonych) w strukturach periodycznych na granicy ośrodków są mody powierzchniowe [5-7]. Mody powierzchniowe rdzeniowe są nieuniknione, jednak można redukować ich znaczenie poprzez strukturę jednomodowego światłowodu kapilarnego. W początkowych rozwiązaniach światłowodów kapilarnych mody powierzchniowe ujawniały swoją obecność poprzez istnienie w paśmie transmisji (o szerokości kilkuset nm) silnego i dość szerokiego (100 nm) rezonansowego piku wzrostu strat rozproszeniowych. Ich negatywna rola polega na bycie dość efektywnym pośrednikiem w ścieżce sprzężeń pomiędzy modami rdzeniowymi a płaszczowymi słaboupływowymi dozwolonymi przez strukturę światłowodu.

Mody powierzchniowe posiadają maksimum pola na granicy ośrodka periodycznego i powietrza. W obydwu ośrodkach pole zanika eksponencjalnie, silniej w powietrzu, słabiej w szkle. Charakter modów powierzchniowych ulega zmianie w zależności od odległości granicy ośrodków od obszaru periodycznego. W światłowodzie kapilarnym granica obszarów i odległość obszaru periodycznego jest zdefiniowany poprzez średnicę otworu kapilarnego i stosunek szkło/powietrze (tzn. np. ilość nanokapilar). Ta wewnętrzna powierzchnia kapilary umożliwia propagację modów powierzchniowych o częstotliwościach własnych leżących wewnątrz dozwolonego fotonicznego pasma transmisji. Większa część mocy optycznej modów powierzchniowych jest zlokalizowana w szkle na granicy rdzenia optycznego (dla modów prowadzonych) czyli makrokapilary i płaszcza optycznego czyli nanokapilar. Jeśli redukcji ulega ilość szkła bezpośrednio wokół rdzenia optycznego (otworu kapilarnego) energie modów powierzchniowych ulegają zwiększeniu, ich maksimum pola przesuwa się bliżej granicy, zwiększa się głębokość wnikania w rdzeń, zwiększając obszar pokrywania pól z modami rdzeniowymi. Z drugiej strony, mody powierzchniowe rozciągają się dość głęboko w strukturę periodyczną włókna kapilarnego, pokrywając się płaszczowym polem zanikającym ze stratnymi modami płaszczowymi.

Na rys.2.14 i 2.15 przedstawiono schematycznie strukturę modową światłowodu kapilarnego. Mody niskostratne rdzeniowe prawie nie wykazują dyspersji w całym obszarze dozwolonej propagacji . Mody powierzchniowe wykazują znaczną dyspersję. Mody podstawowe posiadają większą wartość efektywnego współczynnika załamania. Dla pewnych wartości długości fal następuje potencjalne zrównanie efektywnych własnych współczynników załamania modów rdzeniowych i powierzchniowych. Gdyby tak było, wówczas charakter przecinających się modów ulegałby zatraceniu (posiadałyby dokładnie taką samą stałą propagacji) i jeden przechodziłby w drugi – tzn. np. dyspersyjny mod powierzchniowy pobudzałby w pewnym momencie odpowiadający mu bezdyspersyjny mod rdzeniowy. Przy czym efektywność tego pobudzenia byłaby wysoka, tzn. z prawie całkowitą wymianą mocy. W rzeczywistości w obszarze przejściowym przecinania charakterystyk modowych, mamy do czynienia z rodzajem modów hybrydowych powierzchniowo-rdzeniowych, które potencjalnie mogą przechodzić jedne w drugie.

Mody powierzchniowe silnie zależą od średnicy otworu kapilary, ale możliwości zmiany tej średnicy są ograniczone warunkiem jednomodowości dla modów podstawowych. Mody powierzchniowe silnie zależą, w sposób dyskretny, kwantowy, od subtelnej struktury powierzchni rdzenia. Możliwy jest taki wybór periodyczności tej powierzchni, że mody powierzchniowe ulegają eliminacji lub znacznej redukcji. Kształt rdzenia nie jest cylindryczny, ale periodycznie sfałdowany [5].
5.5.6 Powierzchniowa fala kapilarna

Mechanizm tworzenia periodycznych nanonierówności na powierzchni wewnętrznej kapilar jest analogiczny do tworzenia periodycznych zmarszczek o niewielkiej długości fali na powierzchni płynącej (lub pobudzanej wiatrem) wody. Tworzenie zmarszczek, nazywanych kapilarnymi falami powierzchniowymi, może być procesem rezonansowym – stąd periodyczność, i jest wynikiem dynamicznej równowagi pomiędzy siłą zewnętrzną (wyciąganie włókna optycznego) a napięciem powierzchniowym [8-12]. Im napięcie powierzchniowe jest większe tym amplituda zaburzeń powierzchniowych jest mniejsza a częstotliwość przestrzenna większa. Dla warunków technologicznych wytwarzania światłowodów wysokokrzemionkowych (temperatura, lepkość, napięcie powierzchniowe, prędkość wyciągania) amplituda mikrokapilarnych fal powierzchniowych jest rzędu 0,1nm (czysta krzemionka) i powyżej 0,5 nm dla szkieł miękkich (szkła wieloskładnikowe mają mniejsze napięcie powierzchniowe). Może wydawać się, że ten rozmiar powierzchniowych fal kapilarnych nie powinien mieć wpływu na propagację światła, jednak w światłowodzie ultraniskostratnym (telekomunikacyjnym) główną rolę odgrywa znaczna (wiele dziesiątków kilometrów) droga oddziaływania, na której zjawiska transformacji modowej ulegają addytywnej kumulacji. Ocenia się, że w kapilarnym światłowodzie telekomunikacyjnym, nanokapilarne fale powierzchniowe, o rozmiarze 0,1 nm, zniekształcające powierzchnię szkła są powodem rozpraszania na poziomie rzędu 1dB/km [3]. Te wyniki potwierdza, w zasadzie obecny status technologii tych światłowodów, gdzie dla prawie idealnej struktury geometrycznej przekroju poprzecznego, uzyskuje się tłumienie w obecnie najlepszym światłowodzie kapilarnym porowatym nieco powyżej 1 dB/km dla długości fali najmniejszego tłumienia λs(min)~1,75 μm. I to tłumienie ma prawie wyłącznie składową rozproszeniową, przy szacunkowej wielkości składowej absorpcyjnej na poziomie poniżej 0,1 dB/km [3,4].

Jeśli więc założyć, że cała ta wartość tłumienia jednostkowego 1 dB/km (a w światłowodzie telekomunikacyjnym jest to tłumienność niedopuszczalna) jest powodowana nanokapilarną zamrożoną falą powierzchniową na powierzchni szkła, to jedyną metodą zmieszenia tłumienności jest dokładne zbadanie natury tych fal kapilarnych, i stwierdzenie jakie czynniki dadzą się, jeśli nie wyeliminować, to przynajmniej minimalizować. W telekomunikacyjnym światłowodzie klasycznym minimalna tłumienność, wynosząca nieco poniżej 0,15 dB/km, wynika z fundamentalnych procesów rozpraszania i absorpcji materiałowej w ultraczystym szkle krzemionkowym, i nie może być w praktyce dalej minimalizowana. Jak wspomniano, w światłowodzie kapilarnym 99% mocy może być prowadzone poza szkłem. Składnik materiałowy tłumienia (ten sam materiał kapilary i światłowodu klasycznego), licząc bardzo konserwatywnie, może być redukowany do co najwyżej 0,01dB/km. Pomija się także bezpośrednie wypromieniowanie mocy z modu podstawowego kapilary, gdyż jest ono powodowane wyłącznie nieidealnością optycznego pasma zabronionego powodowanego przez nieidealność makrostruktury światłowodu.

Z zasady równowagi termodynamicznej wynika, że każda powierzchniowa fala kapilarna (PFK) (tutaj na powierzchni roztopionego szkła, w obszarze menisku wypływowego wyciąganego światłowodu) ma energię średnią proporcjonalną do Ek~1/2kBT, gdzie kB stała Boltzmanna, T-temperatura szkła. Gdy szkło (tutaj światłowodu kapilarnego) oziębia się (podczas wyciągania), PFK ulega zamrożeniu z energią, określającą jej amplitudę i częstotliwość, dla T=Tg, gdzie Tg jest temperaturą charakterystyczną dla danego szkła przejścia w fazę szklistą. Dla szkła krzemionkowego Tg~1500K, a dla szkieł wieloskładnikowych jest znacznie niższa. O rozpraszaniu mocy optycznej decyduje średniokwadratowa gęstość spektralna amplitudy szorstkości powierzchni dla widma częstotliwości przestrzennych w ograniczonym paśmie f+Δf: S(f)=kBTg/4πγf, gdzie γ jest napięciem powierzchniowym (dla szkła krzemionkowego γ=0,3 J/m2. Powyższa zależność, obowiązująca dla nieograniczonej powierzchni płaskiej cieczy, jest modyfikowana dla kapilary o średnicy d: Sk(f)=S(f)coth(fd/2). Sk=S dla małych i dużych wartości częstotliwości przestrzennych f. Widmo częstotliwości przestrzennych f jest ograniczone różnymi czynnikami od góry i od dołu, np.: grawitacją, wymiarami światłowodu, wartością Tg, itp. Całkując wyrażenie na statystyczną szorstkość powierzchni kapilary, dla dostatecznie szerokiego zakresu częstotliwości przestrzennych, małych w porównaniu z wymiarem d, otrzymuje się szorstkość średniokwadratową powierzchni szkła zależną od Tg i γ. Dla szkła krzemionkowego jest to srms=0,1nm a dla szkieł miękkich co najmniej kilkakrotnie więcej.

Szorstkość powierzchni szkła (wewnętrzna powierzchnia otworu kapilary rdzeniowej) jest przyczyną rozpraszania fali optycznej z modu podstawowego do innych modów. Rozpraszanie jest efektywne, jeśli częstotliwość przestrzenna danego składnika spektralnego szorstkości jest równa częstotliwości różnicowej propagacji modów – podstawowego i sprzęganego: f=k|ni-no|, gdzie ni oraz no są własnymi efektywnymi współczynnikami załamania modów sprzężonego i-tego oraz podstawowego zerowego. Sprawność sprzężenia obu modów (mierzona szybkością przepływu energii optycznej między nimi) jest określona przez Sk oraz całkę pokrywania się obu modów na powierzchni szkło/powietrze w przekroju poprzecznym światłowodu. Obliczenie całek pokrywania się modów wymaga dokładnej znajomości rozkładów pól modów i ich stałych propagacji. Całkowita stratność światłowodu kapilarnego jest sumą statystyczną mocy sprzęganych do wszystkich modów prowadzonych i płaszczowych. W światłowodzie kapilarnym rozmiar pola modowego, wszystkich modów, jest bardzo silnie zdefiniowany wymiarem otworu, stąd w przybliżeniu całki pokrycia modowego są proporcjonalne do stosunku części mocy optycznej modu podstawowego prowadzonego w otworze i różnicy własnych efektywnych współczynników załamania modu podstawowego i sprzęganego. Zakłada się więc, że mody wyższych rzędów zachowują proporcje wnikania w szkło kapilary z dokładnością do różnicy własnych efektywnych współczynników załamania. Uzyskanie całkowitych strat mocy (rozpraszania) na jednostkę długości kapilary wymaga całkowania wielkości Sk po całym zakresie istniejących w światłowodzie różnic efektywnych współczynników załamania między modami. Efektywne współczynniki załamania (są one w światłowodzie kapilarnym w pobliżu n=1) są związane z częstotliwością przestrzenną modu – subtelnym, dyskretnym, własnym kierunkiem jego propagacji. Mierząc kątowy rozkład przestrzenny (względem kierunku propagacji fali) rozpraszania mocy optycznej ze światłowodu kapilarnego, można określić widmo sprzężeń międzymodowych.

Jedną z podstawowych właściwości światłowodu fotonicznego (kapilara z porowatym płaszczem jest światłowodem fotonicznym) jest dokładna skalowalność jego właściwości w funkcji długości fali dla stałego stosunku struktury światłowodu do długości fali. Na przykład proporcjonalnemu skalowaniu ulega długość fali minimum tłumienia λs(min). Inną podstawową właściwością światłowodu fotonicznego jest zależność rozpraszania propagowanej fali od λs(min)-3 a nie jak w światłowodzie klasycznym od λ-4, zgodnie z zależnością Rayleigha. Odmiennie od światłowodu klasycznego, w światłowodzie fotonicznym zależność strat α~ λs(min) obowiązuje dla wszystkich mechanizmów rozpraszania, a nie tylko dla rozpraszania rayleighowskiego na cząstkach o wymiarach znacznie mniejszych od długości fali świetlnej.

Jakie są możliwości obniżenia strat związanych z rozpraszaniem na zjawisku PFK w fotonicznym światłowodzie kapilarnym. Zmiany standardowych parametrów technologicznych jak temperatura i prędkości wyciągania nie mają wpływu.

Zmniejszenie amplitudy fali PFK jest możliwe poprzez redukcję temperatury fazowego przejścia szklistego Tg zastosowanego szkła światłowodowego. Szkła domieszkowane mają mniejsze wartości Tg ale równocześnie zmniejsza się wartość napięcia powierzchniowego γ. Napięcie powierzchniowe czystego szkła krzemionkowego, podawane w katalogach jako γ=0,3 J/m2, silnie zależy od stanu powierzchni i jest mierzone w normalnych warunkach. Wewnątrz kapilary napięcie powierzchniowe jest większe niż na swobodnej powierzchni i wynosi ok. γ=(0,7-1) J/m2. Teoretyczna wartość dla kwarcu, obliczona z energii wiązania wynosi γ=5,2 J/m2. Wartości mierzone w praktyce są mniejsze ze względu na pokrycie powierzchni grupami silanolowymi SiOH. Podczas produkcji światłowodu należy unikać zanieczyszczenia powierzchni grupami silanolowymi, które są silnym źródłem strat absorpcyjnych. Brak grup SiOH podwyższa wartość napięcia powierzchniowego szkła w trakcie tworzenia światłowodu, nawet do wartości γ=1,5 J/m2, korzystnie zmniejszając PFK. Napięcie powierzchniowe w kapilarze w czasie wyciągania światłowodu można mierzyć poprzez ciśnienie zapobiegające jej kolapsowi. Pewne możliwości zwiększenia napięcia powierzchniowego dają nowe metody przetwarzania szkła światłowodowego.

Zmniejszenie PFK można uzyskać poprzez zmniejszenie głębokości wnikania modu podstawowego w szkło. Zmniejszenie wartości pola zanikającego zmniejsza sprzężenie międzymodowe do modów stratnych nieprowadzonych i powierzchniowych. wyższego rzędu. Zmniejszenie wnikania można uzyskać zwiększając średnice otworu kapilarnego dla stałej długości fali modu prowadzonego. Jednak mogą być wówczas prowadzone w otworze mody wyższego rzędu. Ponadto, przy większej średnicy rdzenia powietrznego, wzrastają straty zgięciowe światłowodu. Również zwiększa się gęstość spektralna modów powierzchniowych.

Zwiększenie grubości obszaru granicznego makrokapilara-szkło w odniesieniu do grubości granic mikrokapilary-szkło w celu nadania tej warstwie właściwości anty-rezonansowych, redukujących wartość pola zanikającego modu podstawowego.

Analizy numeryczne fotonicznego światłowodu kapilarnego pokazują, że heksagonalny układ makrokapilary oraz zwiększenie stosunku powietrze/szkło prowadzi do redukcji wnikania pola modu podstawowego w szkło.

Wybór większej długości fali zmniejsza poziom strat rozpraszania do momentu przewagi czynnika absorpcyjnego IR. Czynnik absorpcyjny i rozproszeniowy Rayleigha zależy od proporcji światła propagowanego w powietrzu pp. Zakładając pp=99,9%, te składniki w takim światłowodzie kapilarnym są skalowane przez wartość 1-pp. Pozostaje addytywny do powyższych czynnik związany z PFK. Szacunki dają całkowity poziom tłumienia rzędu α~0,1 dB/km dla λs(min)~1,90 μm.

Powyższa wartość tłumienia sumarycznego jest szacowana dla typowej katalogowej wartości napięcia powierzchniowego szkła krzemionkowego γ=0,3 J/m2. Zakładając, ciągle realistyczną, wartość γ=1,5 J/m2 (ciągle kilkukrotnie mniejszą od teoretycznej) otrzymuje się tłumienie fotonicznego światłowodu kapilarnego rzędu α~0,02 dB/km. Znaczna wartość γ jest niekorzystna dla procesu tworzenia fotonicznej struktury nanokapilarnej w światłowodzie kapilarnym ze względu na wzrastającą tendencję do kolapsu nanokapilar i zwiększonych trudności otrzymania znacznych wartości stosunku powietrze/szkło. Dlatego też wydaje się, że szkła o dużym współczynniku załamania, małej wartości γ, dużym poziomie PFK, nie nadają się do wytwarzania optycznych kapilar niskostratnych.

Rozpraszanie spowodowane zjawiskiem PFK jest odwrotnie proporcjonalne do różnicowego własnego współczynnika załamania. Składniki szorstkości powierzchni o małej wartości częstotliwości przestrzennej f mają największy wkład w rozpraszanie. Korzystne jest zwiększenie wymiaru makrokapilary rdzeniowej i nanokapilar płaszczowych przyległych do makrokapilary. Stąd pojawiają się „egzotyczne” projekty światłowodów kapilarnych o bardzo złożonych kształtach kapilarnych otworów rdzeniowych i płaszczowych. Pozostaje oczywiście problem praktycznej realizacji takich projektów.

Rozpraszanie spowodowane sprzężeniem międzymodowym może być znacznie zredukowane poprzez eliminację modów powierzchniowych w światłowodzie kapilarnym. Jest to zagadnienie związane z optymalizacją struktury geometrycznej światłowodu. Obecne obliczenia dają często w wyniku analizy struktury nierealizowalne praktycznie (tzn. zbyt skomplikowane geometrycznie).

Poziom PFK maleje ze wzrostem długości fali. Otwartym zagadnieniem, podobnie jak dla klasycznej telekomunikacji światłowodowej pozostaje przejście na nowe materiały ultraprzezroczyste w zakresie większych długości fal.





1   ...   45   46   47   48   49   50   51   52   53


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna