волоконная оптика

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА - раздел оптики, в к-ром изучаются распространение оптич. излучения по волоконным световодам (ВС) и возникающие при этом явления.

В. о. возникла в 50-х гг. 20 в. В первые 20 лет развития в качестве элементов В. о. использовались гл. обр. жгуты световодов (с регулярной и нерегулярной укладкой) длиной порядка неск. м. Материалом для изготовления таких ВС являлись многокомпонентные оптич. стёкла; пропускание световодов в видимой области спектра составляло 30-70% на длине в 1 м. Низкий коэф. пропускания обусловлен затуханием света в стекле из-за большой концентрации примесей. Числовая апертура световодов составляет величину 0,5-1. Наиб. широкое применение для освещения труднодоступных объектов и для передачи изображений жгуты световодов нашли в приборостроении, в частности для техн. и медицинской эндоскопии. В 70-х гг. 20 в. произошло второе рождение

В. о., когда были разработаны ВС на основе кварцевого стекла с оптич. потерями ~1 дБ/км в ближней ИК-области спектра. (Пропускание таких световодов составляет ~50% при длине световода в неск. км.) Эти световоды используются в системах дальней оптической связи, в бортовых системах связи, системах передачи телеметрич. информации, в датчиках разл. физ. полей (магн. поля, темп-ры, вращения, акустич. волн) и др.

Волоконный световод в простейшем варианте представляет собой длинную гибкую нить, сердцевина к-рой из высокопрозрачного диэлектрика с показателем преломления п₁ окружена оболочкой с показателем преломления

Характер распространения оптич. излучения по ВС зависит от его поперечных размеров и профиля показателя преломления по сечению. Так, напр., число типов колебаний (мод), к-рые могут распространяться по ВС для заданной длины волны излучения, пропорционально квадрату диаметра сердцевины 2а и разности показателей преломления сердцевины и оболочки . Уменьшая произведение этих величин, можно добиться распространения по световоду лишь одной моды. В этом случае ВС наз. одномодовым. Имеется много типов структур ВС, однако к 80-м гг. 20 в. наиб. распространение получили три типа ВС (рис. 1): многомодовые со ступенчатым профилем показателя преломления, многомодовые с градиентным профилем показателя преломления и одномодовые. В одномодовых ВС обычно 2а5-10 мкм (для ближнего ИК-диапазона), в многомодовых - от неск. десятков до неск. сотен мкм. Разность Dn для многомодовых световодов составляет ~1-2%, для одномодовых - неск. десятых долей процента. Полный диаметр световодов составляет ~10²-10³ мкм.

Рис. 1. Поперечное сечение и профиль показателя преломления по сечению для световодов: а - многомодовых ступенчатых ; б - одномодовых; в - многомодовых градиентных.

Распространение света по ВС обусловлено полным внутр. отражением света на границе сердцевина-оболочка. Лучи, падающие на границу сердцевина-оболочка под углом , где испытывают полное внутр. отражение, приводя к зигзагообразному распространению света вдоль световода (рис. 2). При этом угол падения луча на торец световода составляет

Рис. 2. Траектория лучей в многомодовом световоде со ступенчатым профилем показателя преломления.

Меридиональные лучи, падающие на границу сердцевина-оболочка под углом (прерывистая линия на рис. 2), частично отражаясь на границе раздела, преломляются в оболочку и поглощаются внеш. поглощающим покрытием. Следовательно, угол является мерой способности ВС захватывать свет, и синус этого угла наз. числовой апертурой ВС. .

Лучевой подход правильно отражает осн. особенности распространения света в многомодовых ВС, для к-рых (длина волны света). Однако полную картину распространения света по ВС даёт волновая теория, допускающая распространение по нему лишь дискретного набора мод.

При анализе распространения света по ВС, для к-рых , широко применяется приближение слабо направляемых мод. В этом приближении поля направляемых мод являются практически линейно поляризованными и все компоненты поля могут быть получены как производные одной преобладающей поперечной компоненты вектора электрич. поля, к-рая выражается след. образом:

Здесь А - константа; временная зависимость опущена; - ф-ция Бесселя и ф-ция Макдональда порядка -постоянная распространения направляемых мод, определяемая из решения граничной задачи ( может принимать лишь дискретные значения в интервале ); z - направление распространения, совпадающее с осью ВС; - поперечное волновое число в сердцевине ВС; = - поперечное волновое число в оболочке ВС; -волновое число в свободном пространстве.

Величина наз. характеристическим параметром световода и определяет число мод N, к-рые могут распространяться по ВС. Для ВС со ступенчатым профилем показателя преломления

Распространение света по ВС сопровождается такими оптич. явлениями, как затухание оптич. сигнала, уширение коротких импульсов света, разл. нелинейные процессы.

Потери в волоконном световоде. Затухание оптич. сигнала в стеклянном ВС в видимом и ближнем ИК-диапазонах длин волн, т. е. в областях спектра, где кварцевые стёкла имеют макс. прозрачность, определяется как фундам. механизмами поглощения и рассеяния света в стёклах, так и рассеянием и поглощением примесями и дефектами структуры.

К фундам. механизмам оптич. потерь в кварцевых стёклах относятся: поглощение, обусловленное электронными переходами (на=0,8 мкм не превышает 1 дБ/км); ИК-поглощение, обусловленное колебаниями решётки, к-рое начинает играть существ. роль (поглощение более иеск. дБ/км) лишь на1,8 мкм; рэлеевское рассеяние света на неоднородностях состава и плотности стекла, меньших(на=0,8 мкм не превышает неск. дБ/км). Т.о., наиб. прозрачностью ВС на основе кварцевых стёкол обладают в области 0,8-1,8 мкм. На рис. 3 приведены спектральные зависимости оптических потерь а, обусловленных фундаментальными механизмами, для кварцевого стекла, легированного Ge.

Рис. 3. Спектральные зависимости оптических потерь в кварцевом стекле, легированном германием: 1 - поглощение, обусловленное электронными переходами; S - рэлеевское рассеяние; 3 - поглощение, обусловленное колебаниями решётки; 4 - суммарные потери.

Примесное поглощение в указанном спектральном диапазоне определяется гл. обр. поглощением ионами переходных металлов (Fe, Cu, Cr, Ni, V и др.) и гидроксильными группами. Чтобы поглощение света не превышало неск. дБ/км, содержание переходных металлов и гидроксильных групп в стекле не должно превышать неск. частей на 1 миллиард (10^-9) и 1 миллион (10^-6) соответственно. Вклад указанных примесей в полные потери совр. ВС пренебрежимо мал. Полные потери ВС на основе кварцевых стёкол близки к предельно низким (рис. 4).

Уширение оптич. импульсов при распространении по ВС приводит к их взаимному перекрытию, что ограничивает информац. полосу пропускания ВС. За уширение импульсов в ВС ответственны три механизма: межмодовая дисперсия, материальная дисперсия и водноводная дисперсия. Наиб. вклад в уширение импульса в многомодовых ВС вносит межмодовая дисперсия - разл. групповая скорость распространения разл. мод. При типичных параметрах многомодовых ВС межмодовая дисперсия ограничивает полосу пропускания световода до неск. десятков Мгц*км. Различие групповых скоростей мод можно значительно снизить, обеспечив плавное изменение показателя преломления по закону, близкому к параболическому, с максимумом на оси световода. В результате полоса пропускания ВС увеличивается до 600-800 Мгц*км и более.

Материальная дисперсия ВС обусловлена зависимостью показателя преломления материала, из к-рого изготовлен световод, от. В этом случае групповая скорость моды зависит от частоты света, а поскольку оптич. импульс всегда имеет конечную спектральную ширину , происходит уширение импульса при его распространении по световоду. Уширение импульса вследствие материальной дисперсии при распространении по световоду длины L равно

При распространении по ВС с сердцевиной из плавленого кварца уширение импульса от светодиода на основе GaAlAs, работающего на волне =0,8 мкм и имеющего относит. спектральную ширину =0,04, составляет =4 нс/км. Уширение импульса вследствие материальной дисперсии резко уменьшается, если несущего излучения выбрана в спектральной области вблизи 1,3 мкм, т. к. в этой области для кварцевых стёкол величина

Волноводная дисперсия связана с зависимостью групповой скорости данной моды от Волноводная дисперсия обычно пренебрежимо мала по сравнению с величиной материальной дисперсии.

В ВС из легированного кварцевого стекла существуют области, где материальная дисперсия равна по величине волноводной дисперсии и отличается от неё знаком. В этих областях, лежащих в диапазоне 1,2<<1,7 мкм, можно выбором легирования и подбором диаметра сердцевины ВС добиться взаимной компенсации и обеспечить наим. уширение импульса (наиб. полосу пропускания) в одномодовых ВС.

Нелинейные процессы в волоконных световодах. Вследствие изотропии материала сердцевины стеклянных световодов младший нелинейный член в разложении поляризации по полю-кубический, т. е. нелинейная поляризация . Кубическая восприимчивость связана с нелинейным показателем преломления n_нл след. соотношением: Величина n_нл плавленого кварца невелика: n_нл ~ 10^-13 в системе единиц CGSE. Однако уменьшение диаметра сердцевины (до ~ 10 мкм) и низкие оптич. потери ВС позволяют поддерживать высокую интенсивность оптич. излучения (~10¹⁰ Вт/см²) на длинах световода более 1 км, и поэтому в ВС легко наблюдать разл. нелинейные явления. Напр., 1-я стоксова компонента вынужденного комбинац. рассеяния света (BKP, см. Вынужденное рассеяние света)наблюдается при мощности накачки в неск. сотен мВт. Спектр комбинац. рассеяния в кварцевых стёклах широк, и с помощью дисперс. элемента можно получать перестройку частоты порядка 300 см^-1. На основе BKP созданы перестраиваемые волоконные генераторы лазерного излучения в ближней ИК-области спектра.