Глущенко А.Г., Головкина М.В. Физические основы волоконной оптики (2009), страница 2

Принципы работы лазера......................................13816.1. Основные элементы лазера .......................................13816.2. Резонатор Фабри-Перо ..............................................13816.3. Усиливающая среда. Инверсия населенностей.......14016.4. Условие самовозбуждения ........................................14216.5. Ширина спектральной линии....................................143Выводы.................................................................................145Вопросы и задачи................................................................145Лекция 17Тема 17. Полупроводниковые лазеры .................................14617.1.

Особенности полупроводниковых лазеров .............14617.2. Условие создания инверсии населенностей в p-nпереходе. Вырожденные полупроводники .......................14717.3. Характеристики полупроводниковых лазеров ........150Выводы.................................................................................156Вопросы и задачи................................................................156Заключение ...............................................................................156Ответы на вопросы и задачи.................................................157Литература................................................................................161Глоссарий..................................................................................1626Список сокращений и обозначенийВОЛС - волоконно - оптическая линия связи,ВЗ - валентная зона,КПД - коэффициент полезного действия,ЗЗ - запрещенная зона,ЗП - зона проводимости,ПМД - поляризационная модовая дисперсия,EF - уровень Ферми,Еф - энергия кванта света,Eg - ширина запрещенной зоны,I - интенсивность светового сигнала,Iпор - пороговый ток,DSF - волокно со смещенной дисперсией,n - показатель преломления,NA - числовая апертура волокна,NZDSF - волокно с ненулевой смещенной дисперсией,Q - добротность,R - коэффициент отражения света по интенсивности,r - коэффициент отражения света по амплитуде,SF - стандартное волокно,T - коэффициент прохождения света по интенсивности,t - коэффициент прохождения света по амплитуде,V - нормированная частота,WDM - технология волнового мультиплексирования,Z - волновое сопротивление,Z0 - волновое сопротивление вакуума,β - постоянная распространения (продольное волновое число),ηвнутр - внутренняя квантовая эффективность,ηвнеш - внешняя квантовая эффективность,τmod - межмодовая дисперсия,τmat - материальная дисперсия,τpmd - поляризационная дисперсия,τchr - хроматическая дисперсия,χ - поперечное волновое число,ωкр - критическая частота.7ВВЕДЕНИЕДанная книга представляет собой курс лекций по дисциплине "Физические основы волоконной оптики", изучаемой студентами Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики.

Этот курс предваряет изучение специальных дисциплин, посвященных вопросам оптической связи, иявляется общим введением в предмет. Описание ведется науровне, соответствующем третьему году обучения студентов вПГУТИ. Поэтому предполагается наличие у читателей даннойкниги знаний теории дифференциального и интегрального исчисления, а также основ знаний в области теории электромагнетизма и физики твердого тела.

Однако изложение материала построено таким образом, чтобы оно было доступным и менееподготовленному читателю. Целью курса является углубленноеизучение физической сути явлений при распространении оптического сигнала по волокну. В связи со сформулированной выше целью курса необходимо отметить два аспекта:• Во время изучения дисциплины "Физические основы волоконной оптики" студенты совершенствуют знания, полученные ими в ходе освоения курсов математики и общейфизики. При этом они применяют их на более высокомуровне для углубленного постижения сути явлений, знаниекоторых необходимо при изучении таких специализированных разделов, как распространение света в оптическом волокне.• С другой стороны, студенты изучают физические явления, наблюдающиеся в оптических волокнах, получая общеепредставление об особенностях волоконно-оптических линий связи, которые они будут изучать в дальнейшем на соответствующих специальных предметах.8ЛЕКЦИЯ 1Введение в предмет.

Уравнения Максвелла в комплексной форме.1.1. Введение. Особенности ВОЛСВолоконно-оптические линии связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическимволноводам, известным под названием "оптическое волокно".Световые сигналы издавна использовались для передачи информации. Для увеличения дальности применялись цепочки передающих сигнальных постов.

В 19 веке был разработан оптический телефон для передачи речевой информации на расстояние распространения светового луча. Однако с появлением радиосвязи оптические линии передачи были забыты. Новый толчок к применению света для передачи информации дало создание в 20 веке лазеров, обладающим когерентным излучением. Вкачестве тракта для распространения сигнала использовалисьприземные слои атмосферы. Такие открытые атмосферные линии были подвержены влиянию метеорологических условий ине обеспечивали необходимую надежность связи. Создание закрытых кабельных систем связи стало возможным после разработки в начале 70-х годов 20 века оптических волокон с малымипотерями. Оптическое волокно в настоящее время является самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

Перспективы использования волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) вытекают изряда особенностей, присущих оптическим волноводам :1. Широкополосность оптических сигналов, обусловленнаячрезвычайно высокой частотой несущей (частота несущейсоставляет 1014 Гц). Это означает, что по оптической линиисвязи можно передавать информацию со скоростью порядкаТерабит/с.2. Очень малое (по сравнению с другими средами) затуханиесветового сигнала в волокне. Лучшие образцы российскоговолокна имеют затухание 0.18 дБ/км на длине волны1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до100 км без регенерации сигналов.

Для сравнения, волокно93.4.5.6.7.Sumitomo на длине волны 1.55 мкм имеет затухание0.154 дБ/км. В научно-исследовательских лабораторияхСША разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фторцирконатные волокна. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.Невосприимчивость к внешним электромагнитным полям.Проблема борьбы с электромагнитными помехами самойразличной природы, включая взаимные помехи многочисленных средств связи, является очень острой. ИспользованиеВОЛС решает проблему электромагнитной совместимости.Передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа.

Волоконно-оптические линиисвязи нельзя подслушать неразрушающим способом.Малые габаритные размеры и компактность волокна. Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм, что делает ихперспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.Безопасность ВОЛС в электрическом отношении. Стеклянные волокна - не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов.Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляетдвуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала.Есть в волоконной технологии и свои недостатки:При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в световые и обратно, оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение.

Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, тоесть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтомудля производства и монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.Как следствие, при обрыве оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.10Преимущества от применения волоконно-оптическихлиний связи (ВОЛС) настолько значительны, что в настоящеевремя эти линии связи очень широко используются для передачи информации.1.2.

Уравнения МаксвеллаЗапишем систему уравнений Максвелла, которые включаютв себя основание теории распространения электромагнитныхволн и являются постулатами теории:∂Brot E = −,(1.1)∂t∂Drot H =+j,(1.2)∂tdiv B = 0 ,(1.3)div D = ρ .(1.4)Здесь Е - вектор напряженности электрического поля, D - векторэлектрической индукции, В - вектор магнитной индукции, Н вектор напряженности магнитного поля, j - плотность тока проводимости, ρ - объемная плотность электрических зарядов.Формулы (1.1)-(1.4) выражают уравнения Максвелла в дифференциальной форме.Уравнения Максвелла дополняются следующими уравнениями:D = ε ε0 E ,(1.5)B = μ μ0 H ,(1.6)j = σ E + jст ,(1.7)Здесь ε 0 - электрическая постоянная, μ 0 -магнитная постоянная,ε -диэлектрическая проницаемость среды, μ - магнитная проницаемость среды, σ - удельная проводимость, jст - плотность сторонних токов.

(В такой записи сторонние токи считаются заданными. Они возбуждают поля, но не порождаются рассматриваемыми электромагнитными полями). Формула (1.7) являетсядифференциальной формой записи закона Ома.11Значение уравнений Максвелла как оснований теории электромагнетизма чрезвычайно велико. Для инженера в первуюочередь важно, что уравнения Максвелла дают возможность исследовать любые электромагнитные процессы.1.3.