световод

СВЕТОВОД (волновод оптический) - закрытое устройство для направленной передачи света. В открытом пространстве передача света возможна только в пределах прямой видимости и ограничивается нач. расходимостью излучения, поглощением и рассеянием в атмосфере. Переход к С. позволяет значительно уменьшить потери световой энергии при её передаче на большие расстояния, а также передавать световую энергию по криволинейным трассам.

Разработаны разнообразные типы С., среди них - линзовые (зеркальные) С., представляющие собой систему заключённых в трубу и расположенных на определённых расстояниях линз (зеркал), полые металлич. трубы и др., однако они не нашли широкого применения.

Наиб. перспективный и широко применяемый в настоящее время (1990-е гг.) тип С.- гибкий диэлектрич. волоконный С. с низкими оптич. потерями (см. Волоконная оптика ),позволяющий передавать свет на большие расстояния. В простейшем варианте он представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина к-рой радиуса a₁ имеет показатель преломления n₁, а оболочка с радиусом а₂ имеет показатель преломления п₂ <п₁ (рис. 1). В приближении геом. оптики лучи, входящие в сердцевину под достаточно малыми углами к оси С., испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине.

Рис. 1. Поперечное сечение волоконного световода.

В зависимости от назначения С. диаметр сердцевины 2a₁ составляет от неск. мкм до неск. сотен мкм, а 2а₂ - от неск. десятков до примерно тысячи мкм.

Величины 2a₁ и п₁ - п₂ определяют число типов волн (мод), к-рые могут распространяться по С. при заданной длине волны света. Выбирая 2а₁ и n₁ - n₂ достаточно малыми, можно добиться, чтобы С. работал в одномодовом режиме.

Волоконные С. находят широкое применение в системах оптической связи, в датчиках разл. физ. полей, в вычислит. технике, для канализации мощного лазерного излучения для медицинских и технол. целей и т.д.

Характеристики волоконных световодов. Важнейшими характеристиками С., предназначенных для подобных применений, являются оптич. потери, дисперсия групповой скорости, оптич. нелинейность и механич. прочность. В 70-х гг. 20 в. созданы волоконные С. на основе кварцевого стекла с затуханием сигнала ~1 дБ/км в ближней ИК-области спектра. Типичный спектр оптических потерь в таких С. представлен на рис. 2, а. Минимально возможные потери составляют 0,16 дБ/км на волне 1,55 мкм. Материалом для таких С. служит кварцевое стекло; различия показателей преломления сердцевины и оболочки достигают легированием стекла (напр., фтором, германием, фосфором).

Др. важной характеристикой одномодовых волоконных С., широко применяемых в системах оптич. связи, является дисперсия групповой скорости. На рис. 2, б представлен спектр дисперсии С. на основе кварцевого стекла. Видно, что кривая дисперсии проходит через 0 вблизи мкм. Это означает, что именно в этой спектральной области информац. полоса пропускания одномодовых волоконных С. на основе кварцевого стекла максимальна и составляет 10¹¹ Гц*км.

Рис. 2. Спектр оптических потерь (а) и дисперсии групповой скорости (произвольные единицы, б).

Изменением профиля показателя преломления волоконного С. можно сместить нуль дисперсии в область вблизи 1,55 мкм, где расположен абс. минимум оптич. потерь. Такие волоконные С. (со смещённой дисперсией) разработаны и находят большое применение в широкополосных системах дальней оптич. связи. Разработаны волоконные С. более сложной конструкции, напр. многослойные С., в т. ч. с сильным двулучепреломлением. Одномодовые С. последнего типа перспективны для применений, где необходимо сохранить поляризацию распространяющегося света.

Хотя стеклянные волоконные С. первоначально разрабатывались в качестве линейной передающей среды для систем оптич. связи, оказалось, что они являются перспективным нелинейным материалом. Оптическая нелинейность в стеклянных волоконных С. возникает в результате зависимости показателя преломления п от интенсивности лазерного излучения , где n₀ - линейная часть показателя преломления при произвольно низких значениях интенсивности, не зависящая от интенсивности; п'I - нелинейная добавка, п' - коэф., величина к-рого для кварцевого стекла равна 3,2*10^-16 см²/Вт. Малая величина п' для кварцевого стекла показывает, что оно не является хорошим нелинейным материалом. Однако, когда стекло используется в виде волоконного С., нелинейность может иметь большой эффект, что связано с малым сечением сердцевины одномодового волоконного С. ~ 10^-6 см². Это означает, что при введении в С. лазерного излучения мощностью 1 Вт интенсивность I ~ 1 МВт/см². Такая высокая интенсивность сохраняется на больших длинах С. вследствие его низких оптич. потерь, обеспечивая длину взаимодействия высокоинтенсивного излучения с веществом вплоть до неск. км. В результате в стеклянных волоконных С. эффективно протекают разнообразные нелинейные процессы при пороговых мощностях 1-10 мВт.

Наиб. интересным нелинейным эффектом, имеющим большое практич. значение, является солитонный режим распространения оптич. импульсов в волоконных С. в спектральной области отрицательной дисперсии групповой скорости ( мкм, рис. 2, б).

В идеальном С. без потерь оптический солитон распространяется без изменения своей формы. Поэтому солитоны перспективны как носители информации в широкополосных и протяжённых волоконно-оптич. системах связи. Разработаны лаб. солитонные системы связи, к-рые, как полагают, могут использоваться в коммерч. сетях связи в нач. 21 в.

При практич. использовании волоконных С. важной их характеристикой является механическая прочность. Теоретич. прочность на разрыв нитей из кварцевого стекла составляет 20-25 ГПа, макс. прочность С. на основе кварцевого стекла, защищённых полимерной плёнкой, равна 5-6 ГПа. Прочность высококачеств. волоконных С. зависит от поверхностных дефектов стекла (трещин, раковин и т. д.), к-рые в присутствии влаги под действием приложенных к С. напряжений увеличиваются, достигая уровня, при к-ром происходит разрушение С. Один из эффективных способов повышения прочности С.- нанесение на С. герметичных покрытий в процессе их изготовления. Нанесение металлич. герметичных покрытий позволило получить лаб. образцы С. с прочностью до 12-15 ГПа. На рис. 3 приведены ф-ции распределения прочности волоконных С. с полимерными (а) и металлическими (б)покрытиями.

Рис. 3. Функции распределения прочности волоконных световодов на основе кварцевого стекла с полимерными (а) и герметичными металлическими (б) покрытиями.

Изготовление и применение световодов. Волоконные С. на основе кварцевого стекла с низкими оптич. потерями изготовляют методом хим. осаждения из газовой фазы. В качестве исходных соединений используются кислород и хлориды кремния, германия, фосфора и др. Получаемая этим методом заготовка диам. 20-30 мм и длиной 400-1000 мм перетягивается в волоконный С. диам. 100 мкм с одновременным нанесением на него защитно-упрочняющей оболочки.

Кроме кварцевого стекла для волоконных С. используют также др. прозрачные в видимой и ИК-областях спектра материалы - многокомпонентные кислородные стёкла, бескислородные стёкла, полимеры и кристаллы. Однако волоконные С. на основе кварцевого стекла обладают наинизшими оптич. потерями и наивысшей механич. прочностью, поэтому они нашли самое широкое применение.

В 1990 в мире произведено св. 5 млн. км волоконных С. для волоконно-оптич. систем связи. В 1988 проложена первая цифровая подводная волоконно-оптич. система связи между Америкой и Европой, а в 1989 - транстихоокеанская волоконно-оптич. система Америка - Гавайские острова - Япония. В кон. 20 в. б. ч. телефонных разговоров на Земле производится по волоконным С.

В 80-90-х гг. разработаны волоконные С., легированные эрбием, перспективные в качестве активной среды в волоконных усилителях, накачиваемых излучением полупроводниковых лазеров. Эрбиевые волоконные усилители работают в спектральной области вблизи 1,55 мкм, совпадающей с областью мин. оптич. потерь совр. С., и являются альтернативой электронным ретрансляторам в широкополосных волоконно-оптич. системах дальней связи.

Для интегральной оптики разработаны диэлектрич. волноводы - С., представляющие собой тонкую (порядка) плёнку, нанесённую на подложку. Условие волноводного режима распространения излучения заключается в том, что показатель преломления плёнки больше показателей преломления подложки и среды над волноводом. Диэлектрич. С. этого типа изготавливают методом катодного распыления материала волновода на подложку, методом эпитаксиального наращивания из жидкой или газообразной фазы, методом ионной имплантации.

Лит.: Мидвинтер Дж., Волоконные световоды для передачи информации, пер. с англ., М., 1983; Хансперджер Р., Интегральная оптика, пер. с англ., М., 1985; Д и а н о в Е. М., Волоконная оптика: проблемы и перспективы, «Вестник АН СССР», 1989, № 10, с. 41; Девятых Г. Г.,. Д и а н о в Е. М., Волоконно-оптическая связь: 20 лет спустя, там же, 1990, № 6, с. 143; Дианов Е.М., Прохоров А. М.„ Оптическая связь на основе нелинейных явлений в волоконных световодах, там же, 1990, № 10, с. 42. Е. М. Дианов.

   <<      Предметный указатель      >>