Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СВЕТОВОД

СВЕТОВОД

СВЕТОВОД (волновод оптический) - закрытое устройство для направленнойпередачи света. В открытом пространстве передача света возможна тольков пределах прямой видимости и ограничивается нач. расходимостью излучения, <поглощением и рассеянием в атмосфере. Переход к С. позволяет значительноуменьшить 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 наопределённых расстояниях линз (зеркал), полые металлич. трубы и др., однакоони 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 прозрачногоматериала, сердцевина к-рой радиуса a₁ имеет показательпреломления n₁, а оболочка с радиусом а ₂ имеетпоказатель преломления п ₂ <п ₁ (рис. 1).В приближении геом. оптики лучи, входящие в сердцевину под достаточно малымиуглами к оси С., испытывают полное внутреннее отражение на поверхностираздела 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 2а ₂ - от неск. <десятков до примерно тысячи мкм.

Величины 2a₁ и п ₁ - п ₂ определяютчисло типов волн (мод), к-рые могут распространяться по С. при заданнойдлине волны света .Выбирая 2а ₁ и n₁ - n₂ достаточномалыми, 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 мощноголазерного излучения для медицинских и технол. целей и т. <д.

Характеристики волоконных световодов. Важнейшими характеристиками С.,предназначенных для подобных применений, являются оптич. потери, дисперсиягрупповой 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 потерисоставляют 0,16 дБ/км на волне 1,55 мкм. Материалом для таких С. служит кварцевоестекло; различия показателей преломления сердцевины и оболочки достигаютлегированием стекла (напр., фтором, германием, фосфором).

Др. важной характеристикой одномодовых волоконных С., широко применяемыхв 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. полосапропускания одномодовых волоконных С. на основе кварцевого стекла максимальнаи составляет 10¹¹ Гц*км.

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

Изменением профиля показателя преломления волоконного С. можно сместитьнуль дисперсии в область вблизи 1,55 мкм, где расположен абс. минимум оптич. <потерь. Такие волоконные С. (со смещённой дисперсией) разработаны и находятбольшое применение в широкополосных системах дальней оптич. связи. Разработаныволоконные С. более сложной конструкции, напр. многослойные С., в т. ч. <с сильным двулучепреломлением. Одномодовые С. последнего типа перспективныдля применений, где необходимо сохранить поляризацию распространяющегосясвета.

Хотя стеклянные волоконные С. первоначально разрабатывались в качествелинейной передающей среды для систем оптич. связи, оказалось, что они являютсяперспективным нелинейным материалом. Оптическая нелинейность в стеклянныхволоконных С. возникает в результате зависимости показателя преломления п от интенсивности лазерного излучения , где n₀ - линейная часть показателя преломления припроизвольно низких значениях интенсивности, не зависящая от интенсивности; п'I - нелинейная добавка, п' - коэф., величина к-рого длякварцевого стекла равна 3,2*10^-16 см ²/Вт. Малая величина п' для кварцевого стекла показывает, что оно не является хорошимнелинейным материалом. Однако, когда стекло используется в виде волоконногоС., нелинейность может иметь большой эффект, что связано с малым сечениемсердцевины одномодового волоконного С. ~ 10^-6 см ².Это означает, что при введении в С. лазерного излучения мощностью 1 Втинтенсивность I~ 1 МВт/см ². Такая высокая интенсивностьсохраняется на больших длинах С. вследствие его низких оптич. потерь, обеспечиваядлину взаимодействия высокоинтенсивного излучения с веществом вплоть донеск. км. В результате в стеклянных волоконных С. эффективно протекаютразнообразные нелинейные процессы при пороговых мощностях 1-10 мВт.

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

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

При практич. использовании волоконных С. важной их характеристикой являетсямеханическая прочность. Теоретич. прочность на разрыв нитей из кварцевогостекла 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, раковини т. д.), к-рые в присутствии влаги под действием приложенных к С. напряженийувеличиваются, достигая уровня, при к-ром происходит разрушение С. Одиниз эффективных способов повышения прочности С.- нанесение на С. герметичныхпокрытий в процессе их изготовления. Нанесение металлич. герметичных покрытийпозволило получить лаб. образцы С. с прочностью до 12-15 ГПа. На рис. 3приведены ф-ции распределения прочности волоконных С. с полимерными (а)и металлическими ( б )покрытиями.

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

Изготовление и применение световодов. Волоконные С. на основекварцевого стекла с низкими оптич. потерями изготовляют методом хим. осажденияиз газовой фазы. В качестве исходных соединений используются кислород ихлориды кремния, германия, фосфора и др. Получаемая этим методом заготовкадиам. 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. прозрачныев видимой и ИК-областях спектра материалы - многокомпонентные кислородныестёкла, бескислородные стёкла, полимеры и кристаллы. Однако волоконныеС. на основе кварцевого стекла обладают наинизшими оптич. потерями и наивысшеймеханич. 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. телефонныхразговоров на Земле производится по волоконным С.

В 80-90-х гг. разработаны волоконные С., легированные эрбием, перспективныев качестве активной среды в волоконных усилителях, накачиваемых излучениемполупроводниковых лазеров. Эрбиевые волоконные усилители работают в спектральнойобласти вблизи 1,55 мкм, совпадающей с областью мин. оптич. потерь совр. <С., и являются альтернативой электронным ретрансляторам в широкополосныхволоконно-оптич. системах дальней связи.

Для интегральной оптики разработаны диэлектрич. волноводы - С.,представляющие собой тонкую (порядка )плёнку, нанесённую на подложку. Условие волноводного режима распространенияизлучения заключается в том, что показатель преломления плёнки больше показателейпреломления подложки и среды над волноводом. Диэлектрич. С. этого типаизготавливают 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; ДиановЕ. <М., Прохоров А. М.„ Оптическая связь на основе нелинейных явлений в волоконныхсветоводах, там же, 1990, №10, с. 42. Е. М. Дианов.