РОЗДІЛ 2
ФОТОДІОДНІ СТРУКТУРИ ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНИХ
ОБЛАСТЕЙ 1.3 та 1.55 МКМ
Галузь телекомунікацій зараз в революційному стані. У зв’язку із вражаючим
розростанням Інтернету, виникла потреба покращення в інфраструктурі мереж.
Спостерігається зростання трафіка Інтернет від 200 до 400% щорічно. Згідно з
прогнозами, сукупна швидкість передачі інформації в мережі становитиме десятки
чи навіть сотні терабіт/сек. Такі швидкості передачі даних можуть забезпечити
волоконні світловоди. Оптичні волокна вже широко використовуються для передачі
сигналів з великою швидкістю на значні віддалі. Як відомо, основними
матеріалами для оптичного волокна є кварц, багатокомпонентне скло або прозорі
пластмаси.
Результати досліджень цього розділу, опубліковані в [4Д-6Д]
2.1. Вибір оптимальної довжини хвилі випромінювання для волоконно-оптичних
систем зв’язку
Оптичне послаблення спостерігається при проходженні світлового променя через
прозоре середовище і відбувається завдяки дії різноманітних механізмів, які
залежать від довжини хвилі світлового пучка. На
рис. 2.1. показана типова залежність послаблення сигналу від довжини хвилі для
стандартного кварцового оптичного волокна. Прозорість з боку більших довжин
хвиль обмежена інфрачервоним коливним (багато фононним) краєм поглинання, який
визначається частотою фундаментальних коливань гратки. Інший механізм
внутрішніх втрат – Релеївське розсіювання, яке спричинене неоднорідностями
діелектричної сталої з розмірами, меншими за довжину хвилі світлового променя
[69]. Положення і величина теоретичного мінімуму втрат, таким чином,
визначається “перетином” цих двох залежностей [70]. Проте, в стандартному
оптичному волокні завжди присутній гідроксил кремнію SiOH (кілька молекул на
мільйон), який спричиняє появу різноманітних обертонів ОН групи та комбінаційні
смуги поглинання, які формують так зване перше, друге та третє вікна найменших
втрат оптичного волокна з довжинами хвиль в околі 0.850 мкм, 1.3 мкм та 1.55
мкм [71]. Таким чином, потенційно величезний діапазон довжин хвиль для передачі
сигналу на великі відстані на даний час обмежений двома приблизно 0.1 нм
завширшки вікнами біля 1.3 мкм та 1.5 мкм (втрати в першому вікні занадто
високі).
Вважається, що у кварцовому світловолокні є три основні вікна прозорості: перше
– 0.780-0.860 мкм, друге – 1.280-1.330 мкм й третє – 1.530-1.560 мкм. Можливе
використання інших вікон прозорості: четвертого – 1.580-1.625 мкм, п'ятого –
1.350-1.450 мкм (завдяки усуненню піку поглинання, зумовленого гідроксильною
групою ОН). Нарешті, короткі лінії зв’язку можуть працювати і в
короткохвильовій області, де мають місце значні втрати, 0.5-0.6 мкм.
Проте, недавні досягнення у виробництві “безводного” AllWave™ одномодового
оптичного волокна фірмою Lucent Technologies [72] “відкрили” повністю весь
діапазон довжин хвиль від 1.28 до 1.625 мкм.
Рис. 2.1. Спектральна залежність оптичного затухання у кварцовому волокні.
Затіненими прямокутниками показані найголовніші “вікна” прозорості.
Застосування нового виробничого процесу реально обмежило включення часток
гідроксилу і виготовлені таким методом оптичні волокна мають близькі до
теоретично передбачуваних мінімуми втрат.
Окрім прозорості матеріалу, для роботи оптичного волокна обов’язковою умовою є
повне внутрішнє відбивання (повернення 100% світлової енергії!) від межі поділу
між оптичним волокном і оточуючим середовищем, для чого кут падіння на
внутрішню поверхню волокна q1 повинен перевищувати деякий критичний кут qс .
Важливим є те, що в оптичному волокні для даної довжини хвилі й товщини волокна
можливий тільки дискретний набір кутів q1=qm (m=1,2,…), тобто світлова енергія
переноситься дискретними модами. Різним модам відповідають різні кути q1 , а
значить і різна довжина шляху, який проходить промінь, причому чим менший кут
q1 , тим довший шлях. Промінь, який падає під меншим кутом q1 , приходить на
кінець оптичного волокна із запізненням відносно променя, який падає під
більшим кутом. Якщо на вхід оптичного волокна подати короткий світловий імпульс
із крутими фронтами наростання і спаду, на виході фронти імпульсу розпливуться,
а імпульс більшою або меншою мірою видовжиться. Це явище, зумовлене різницею у
часі проходження відрізку оптичного волокна через відміну траєкторії променів,
а не через відміну швидкості розповсюдження, називається міжмодовою дисперсією
(часом – модовою). Очевидно, що для передачі інформації, пауза між імпульсами
повинна бути більшою від видовження імпульсу, зумовленою модовою дисперсією, бо
інакше імпульси на виході просто зіллються. Отже, міжмодова дисперсія обмежує
максимальну частоту слідування світлових імпульсів, тобто обмежує частотну
смугу пропускання каналу інформації.
Зрозуміло, що міжмодової дисперсії не буде у випадку використанні тільки однієї
моди. Одномодового режиму можна досягти, застосовуючи оптичне волокно з
достатньо тонкою серцевиною. Хоч у одномодовому світловолокні міжмодова
дисперсія не проявляється, максимально можлива частота слідування імпульсів
обмежується тим, що розповсюджуване світло не може бути ідеально
монохроматичним, а охоплює певний спектральний інтервал. По цій причині
проявляє себе матеріальна (хроматична) дисперсія, зумовлена залежністю
показника заломлення серцевини, а значить і швидкості розповсюдження світла,
від довжини хвилі (частоти коливань). Складові оптичного сигналу з різною
довжиною хвилі мають різний час проходження відрізку оптичного волокна, що і є
причиною розширення незалежно від дії міжмодової дисперсії.
Вочевидь, різниця у часі проходження світла на двох довжинах хвиль l1 і l2 тим
більша, чим більша довжина волокна
- Київ+380960830922