Устройства ввода и вывода излучения

Устройства ввода и вывода излучения должны обеспечивать передачу максимально возможной мощности от источников света в световод и из световода в фотоприемник. Конструкции таких устройств определяются характеристиками как излучателей и фотоприемников, так и световодов.

Светодиоды могут быть с низкой яркостью и большой площадью излучения (S=0,2...5,6 мм²) и, наоборот, высокой яркостью и малой излучающей поверхностью. Светодиоды с малой излучательной поверхностью и инжекционные лазеры можно непосредственно подсоединять к многомодовому световоду в стык.

Потери на ввод излучения в многомодовое оптическое волокно (МОВ)

где h = (Р_и/Р_св) - эффективность ввода, дБм; Р_и – мощность источника излучения, Вт; Р_св - мощность, введенная в волокно, Вт, А_отр - потери за счет отражения, дБм; А_и - потери на излучение на длине установления стационарного состояния мод, дБм.

Наилучшее и стабильное согласование источника излучения с МОВ достигается за счет покрытия поверхности источника излучения четвертьволновым слоем с (п_ч – показатель преломления четвертьволнового покрытия, п_и – показатель преломления источника излучения, п_св – показатель преломления сердцевины световода) и заполнением зазора иммерсионной жидкостью с п=п_св. При этом потери на отражение пренебрежимо малы.

Значительно увеличить введенную в волокно мощность можно с помощью сферической линзы. Эффективность ввода может быть увеличена до 34%.

В настоящее время сферическая линза конструктивно входит в светодиод или волокно, то есть является ее элементом. В первом случае линза располагается непосредственно на излучающей поверхности. При такой конструкции эффективность ввода обеспечивается подбором оптимального радиуса кривизны и высотой шарового сегмента.

Излучатель с размещенной на его поверхности сферической линзой позволяет повысить эффективность связи примерно на два порядка по сравнению с эффективностью при непосредственной связи. На рис. 18.2 представлено сочленение лазера с ОВ с помощью микролинзы.

Линзы прикрепляются на торце либо лазера, либо волокна и позволяют коллимировать лазерное излучение. Для этого требуются линзы, диаметром несколько микрон. Изготавливаются такие микролинзы из фоторезиста, который наносится и экспонируется непосредственно на торце волокна. Установлено, что цилиндрические линзы более эффективны, чем сферические, поскольку излучающая поверхность лазера имеет вид прямоугольника. Для лазеров и одномодовых волокон такой структуры получается эффективность сочленения 23% со сферической линзой и 34% с цилиндрической. При вводе излучения светодиода в ОВ в большинстве случаев вносимые потери составляют 10-30 дБ.

При вводе излучения лазера в ОВ вносимые потери обычно меньше вследствие высокой осевой направленности лазерного излучения и очень малой излучающей площадки. Используя подходящую систему с жидкостью или просветляющим покрытием ОВ и лазера для уменьшения отражения, можно снизить потери на ввод до 2 дБ и меньше.

Одной из проблем ввода излучения в одномодовое оптическое волокно ООВ является несовпадение распределений полей излучаемой лазером волны и основной моды световода НЕ₁₁. Это несовпадение требует, чтобы устройство ввода было выполнено с большой степенью точности.

Одним из наиболее перспективных устройств ввода является коническое устройство (рис. 18.3). При больших диаметрах торцевой поверхности конуса (1...2 мм) могут появиться моды высших типов. С целью их исключения между торцом конуса и лазером вводится фазокорректирующий элемент - сферическая линза. Такое устройство обладает эффективностью порядка 1,6...2,2 дБ.

Для соединения световода с фотодетектором предъявляются менее жесткие требования, чем в случаях соединения светодиода или лазера с волокном. Высокая эффективность ввода между световодом и детектором достигается даже тогда, когда сечение детектора во много раз больше поперечного сечения волокна. Самые малые фотодетекторы имеют квадратную активную область со стороной 0,25 мм, в то время как диаметр сердечника многомодового световода составляет (0,06±0,12) мм. Поэтому почти все излучение световода попадает на активную поверхность детектора, а потери возникают только из-за отражения.

На рис. 18.4 показан пример осуществления ввода излучения из световода со ступенчатым профилем показателя преломления в приемник.

Световод непосредственно состыкован с приемником и образует вместе с ним единый конструктивный узел. Эпоксидная смола не только обеспечивает механическое соединение, но и вместе с наружным покрытием устраняет внешнюю фоновую засветку.