Оптоелектроніка та волоконна оптика є фундаментальними складовими новітніх фотонних технологій. Вони лежать в основі створення активних і пасивних компонентів для волоконно-оптичних систем зв’язку, систем обробки сигналів, сенсорів нового покоління, лазерних систем та квантових комунікацій. Їх розуміння є критично важливим для фахівців у галузях інформаційних технологій, зв’язку, фізики твердого тіла, матеріалознавства та прикладної електроніки.

Метою цього підручника є формування базових знань з теоретичних основ розповсюдження світла в оптичних хвилеводах, принципів побудови волоконно-оптичних систем та оптоелектронних компонентів, а також ознайомлення з практичними аспектами їх застосування. Матеріал викладено у логічній послідовності — від фізичних принципів до конструктивних рішень та сучасних технологій. Підручник призначений для студентів фізичних, технічних і інженерних спеціальностей закладів вищої освіти, а також може бути корисним аспірантам, науковцям і фахівцям, які працюють у галузі оптоелектроніки, волоконної оптики та телекомунікацій.

 Зміст

ПЕРЕДМОВА  

Розділ 1. ОСНОВИ ТЕОРІЇ РОЗПОВСЮДЖЕННЯ ОПТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ В ХВИЛЕВОДНИХ СТРУКТУРАХ

Вступ…11

1.1. Розповсюдження оптичного випромінювання в планарних хвилеводах 11

1.1.1. Хвильове рівняння 13

1.1.2. Відбиття і заломлення світла на границі діелектриків 14

1.1.3. Розповсюдження оптичного випромінювання в планарному хвилеводі 16

1.1.4. Типи тривимірних смугових і канальних хвилеводів 22

1.2. Особливості поширення світла у різних типах волокон 23

1.2.1. Методи опису поширення випромінювання у волоконних світловодах 24

1.2.2. Розповсюдження світла у волокні зі східчастим профілем показника заломлення 26

1.2.3. Поширення світла і міжмодова дисперсія в градієнтних волокнах 33

1.2.4. Хвильовий аналіз розповсюдження випромінювання у оптичних волокнах 36

1.3. Матеріальна дисперсія. Показник заломлення об'ємного середовища 41

1.3.1. Електродинаміка неоднорідних плоских хвиль. Групова швидкість 42

1.3.2. Молекулярна теорія дисперсії прозорих конденсованих середовищ. Формула Сеймеллера. 45

1.3.3. Вплив матеріальної дисперсії на розповсюдження імпульсних сигналів 53

1.3.4. Хроматична дисперсія у волокнах на основі кварцового скла 60

1.4. Оптична нелінійність волокон на основі кварцового скла 64

1.5. Поширення випромінювання в анізотропних середовищах  67

Контрольні питання 69

Розділ 2. КОМПОНЕНТИ ВОЛОКОННОЇ ОПТИКИ .73

2.1. Волоконні світловоди як фізичне середовище для поширення оптичного випромінювання  73

2.1.1. Конструкція та основні фізичні характеристики волоконних світловодів 74

2.1.2. Виготовлення волоконних світловодів 80

2.2. Оптоволоконні кабелі 90

2.3.  Пасивні елементи ВОЛЗ 91

2.3.1. З'єднання волоконних світловодів 92

2.3.2. Пасивні волоконні відгалужувачі X- та Y-типів 94

2.3.3. Оптичні мультиплексори/демультиплексори та фільтри  99

2.4.  Волоконні брегівські гратки  101

2.4.1. Фоточутливість кварцового волокна із домішками германію 101

2.4.2. Методи запису волоконних брегівських ґраток 105

2.4.3. Точковий запис волоконних брегівських ґраток 115

Контрольні питання…121

Розділ 3 ОПТО-ЕЛЕКТРОННІ КОМПОНЕНТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧІ ІНФОРМАЦІЇ 122

3.1. Світлодіоди 122

3.1.1. Фізичні основи випромінювальної рекомбінації у напівпровідниках 123

3.1.2. Оптичні та електричні параметри світлодіодів 130

3.1.3. Світлодіоди на подвійній гетероструктурі А3В5. 132

3.1.4. Конструкція світлодіодів 135

3.2. Суперлюмінісцентні світлодіоди 136

3.3. Напівпровідникові лазери 138

3.3.1. Гомоструктурний перехід і напівпровідникові лазери 138

3.3.2. Лазери на подвійній гетероструктурі 140

3.3.3. Поріг генерації і ефективність напівпровідникового лазер 143

3.3.4. Конструкції напівпровідникових лазерів  147

3.3.5. Селекція поздовжніх мод в напівпровідниковому лазері 158

3.4. Особливості практичного застосування напівпровідникових лазерів для оптоволоконного зв’язку 163

3.4.1. Струмова модуляція напівпровідникових лазерів 163

3.4.2. Схеми струмової накачки напівпровідникових лазерів 166

3.4.3. Монтаж лазерів і тепловідвід 168

3.4.4. Твердотільні мікролазери з накачкою напівпровіднико-вими лазерними діодами 169

Контрольні питання …………………………………………………... 174

Розділ 4. ПРИЙМАЧІ ОПТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ 177

4.1. Загальні характеристики та фізичні основи роботи фото-приймачів 177

4.1.1. Параметри фотоприймальних пристроїв оптичного сигналу 177

4.1.2. Фізичні основи взаємодії оптичного випромінювання з напівпровідниками 179

4.1.3. Фоторезистивний ефект у напівпровідниках 181

4.1.4. Фотогальванічний ефект у напівпровідниках 187

4.2. Напівпровідникові фотоприймачі для оптоволоконних систем зв’язку 189

4.2.1. Фотодіоди на основі p-n переходу 189

4.2.2. р-і-n фотодіоди 193

4.2.3. Фотодіоди з бар'єром Шотткі 196

4.2.4. Фотодіоди з гетеропереходом 199

4.2.5. Лавинні фотодіоди 200

4.3. Застосування напівпровідникових фотоприймачів у волоконно-оптичному зв’язку 203

4.3.1. Характеристика спектральної чутливості фотодіодів 203

4.3.2. Швидкодія фотодіодів 204

4.3.3. Темновий струм і шум лавинного множення 206

4.3.4. Відношення сигнал/шум фотодіодів 208

4.4. Напівпровідникові фотоприймачі для НВЧ застосувань 211

4.4.1. Ефекти просторового заряду, що обмежують швидкодію 211

4.4.2. Ефективність перетворення потужності в фотодетекторі 213

4.4.3. Досягнення в області фотодетекторів 215

Контрольні питання 216

Розділ 5.  ОСНОВИ ВОЛОКОННИХ СИСТЕМ ЗВ’ЯЗКУ 218

5.1. Енергетичний потенціал оптичної лінії зв'язку 218

5.2. Методи ущільнення інформації у волоконно-оптичних системах передачі інформації. 219

5.3. Принципи побудови волоконно-оптичних систем передачі інформації. 221

5.3.1. Плезіохронна цифрова ієрархія 222

5.3.2. Системи синхронної цифрової ієрархії 225

5.3.3. Метод частотного ущільнення 228

5.4. Особливості монтажу та вимірювань у волоконно-оптичних лініях зв'язку 228

5.5. Радіофотонні технології для швидкісних телекомунікаційних систем 232

5.5.1. Аналогові фотонні схеми 232

5.5.2. Ефективність використання аналогових та цифрових волоконно-оптичних ліній 233

5.5.3. Фотонні методи понижуючого перетворення частоти 236

5.6. Аналогові оптичні лінії з модуляцією інтенсивності та прямим детектуванням 238

5.6.1. Види модуляції та детектування оптичного випромінювання 238 

5.6.2. Принцип роботи та побудова лінії з модуляцією інтенсивності та прямим детектуванням 240

5.7. Особливості формування сигналів міліметрового та терагерцового діапазонів для радіофотонних систем зв’язку 244

5.7.1. Перспективи та проблеми використання хвиль міліметрового діапазону 244

5.7.2. Формування сигналів міліметрового діапазону методом оптичного гетеродину 246

5.8. Гібридні технології, що використовуються для реалізації систем зв’язку у терагерцовому діапазоні 250

Контрольні питання 254

Розділ 6. ВОЛОКОННО-ОПТИЧНІ ДАТЧИКИ ТА БРЕГІВСЬКІ ҐРАТКИ 257

6.1. Принцип дії та параметри волоконно-оптичних датчиків 257

6.2. Волоконно-оптичні датчики амплітудної модуляції 259

6.3. Волоконно-оптичні датчики фазової модуляції 267

6.4. Фізико-технологічні основи ВБҐ та їх застосування в оптоелектроніці 269

6.4.1. Ключові переваги ВБГ в оптоелектронних застосуваннях 270

6.4.2. Методи формування розподіленого зворотного зв'язку у брегівських волоконних дзеркалах 272

6.4.3. Рівняння зв'язаних мод у лінійному періодичному середовищі 273

6.4.4. Смуга залишкових променів і коефіцієнт відбиття дифракційної ґратки 275

6.5. Неоднорідні ґратки: проектування та застосування  284

6.5.1. Особливості методів формування брегівських ґраток із змінним періодом 285

6.5.2. Оптичні властивості неоднорідних структур волоконних ґраток 289

6.5.3. Особливості дифракції на скошених волоконних ґратках 292

6.6. Волоконні ґратки з великим періодом 294

Контрольні питання 299

Розділ 7. ВОЛОКОННІ ЛАЗЕРИ 301

7.1. Основи роботи та класифікація 302

7.2. Складові елементи волоконного лазера 305

7.2.1. Схеми резонаторів волоконних лазерів 305

7.2.2. Оболонкове помпування 307

7.2.3. Спектроскопія активних іонів та вибір довжини хвилі помпування 316

7.2.4. Ефективність волоконних лазерів та якість випромінювання 320

7.2.5. Особливості активних волокон для лазерів високої потужності 321

7.3. Технологія волоконних лазерів високої потужності 325

7.3.1. Одномодові лазери неперервного випромінювання на окремому волокні 325

7.3.2. Параметри імпульсних волоконних лазерів 327

7.3.3. Інші застосування волоконних лазерів 329

7.4. Одночастотні волоконні лазери 331

7.4.1. Схеми побудови одночастотних волоконно-оптичних лазерних генераторів 331

7.4.2. Оптимізація шумових параметрів та лінії генерації одно-частотних волоконних лазерів  339

7.4.3. Високопотужні одночастотні волоконні підсилювачі для неперервного випромінювання 343

7.4.4. Одночастотні волоконні підсилювачі імпульсного режиму з високою потужністю та енергією 348

7.5. Промислові волоконні лазери та їх застосування 350

Контрольні питання 354

Рекомендована література 357