Волоконная оптика - раздел оптики, в к-ром изучаются распространение оптич.
излучения по волоконным световодам (ВС) и возникающие при этом явления.
Волоконная оптика возникла в 50-х гг.
20 в. В первые 20 лет развития в качестве элементов волоконной оптики
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
Волоконная оптика, 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, температуры, 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 2а
5-10
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; 
- функция
Бесселя и функция 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 на
1,8
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 nнл след. соотношением:
Величина nнл плавленого кварца невелика: nнл
~ 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.
Рис. 4. Спектр оптических
потерь одномодового волоконного световода.
Вынужденное Мандельштама
- Бриллюэна рассеяние (ВРМБ) в ВС может наблюдаться при ещё меньших мощностях
накачки, если ширина спектра накачки порядка ширины линии рассеяния Мандельштама
- Бриллюэна, к-рая для плавленого кварца составляет величину ~100 Мгц. Напр.,
миним. мощность при накачке аргоновым лазером, при к-рой наблюдалось ВРМБ в
одномодовом световоде длиной 80 м в резонаторе, составляла 15 мВт.
В ВС наблюдаются и четырёхфотонные
параметрич. процессы, в к-рых два кванта мощной накачки частоты 
распадаются на "стоксову" 
и "антистоксову"
компоненты. Для такого процесса необходимо выполнение фазового синхронизма 
. Волноводная (межмодовая) дисперсия в ВС позволяет скомпенсировать материальную
дисперсию в довольно широком спектральном интервале и тем самым выполнить условие
фазового синхронизма. Поэтому в ВС наблюдаются четырёхфотонные процессы с частотными
сдвигами (
)~5000
см-1.
Др. нелинейное явление,
наблюдаемое в ВС,- самовоздействие световых импульсов (см. Самовоздействия
света). T. к. показатель преломления материала световода зависит от интенсивности
светового импульса, то происходит фазовая самомодуляция оптич. излучения, приводящая
к уширению его спектра. Если несущая частота оптич. излучения попадает в область
аномальной дисперсии материала световода и если 
О, то световой импульс при своём распространении по ВС будет сжиматься. Возможное
сужение импульса определяется той шириной спектра 
импульса, к-рая получается в результате такого самовоздействия. Максимально
возможное сужение импульса определяется известным соотношением 
.
Это явление позволяет получать сверхкороткие импульсы света в фемтосекундной
области (~10-15 с). Возможна также реализация солитонного режима
(см. Солитон)распространения оптич. импульса по ВС, при к-ром световой
импульс может не менять форму или менять её периодически.
Заготовка волоконных световодов
с низкими оптич. потерями изготовляется из особо чистых материалов гл. обр.
методом хим. осаждения из газовой фазы (см. Световод ).Затем из неё вытягивается
ВС. Предложены новые методы изготовления кристаллич. ВС - вытягивание из расплава
нитевидных монокристаллов или экструзия (выталкивание) поликристаллич. волоконных
световодов.
Для передачи изображений
применяются жгуты с регулярной укладкой ВС. Разрешающая способность таких жгутов
определяется диаметром сердцевины световодов, их числом и качеством изготовления
и обычно составляет 10-50 линий на 1 мм. Широкое применение нашли волоконно-оптич.
диски, вырезанные поперёк из плотно спечённых ВС. Такие диски, на внутр. поверхность
к-рых наносится люминофор, используются в электронно-лучевых трубках вместо
входного стекла; это даёт возможность контактно фотографировать.
Высококачеств. вакуум-плотные
волоконные диски диам. до 150 мм, содержащие неск. сотен миллионов ВС, обладают
разрешающей способностью до 100 линий на 1 мм2. Другим широко применяемым
элементом ВС является фокон-конусообразный единичный ВС либо жгут из спечённых
вместе ВС обычно с плоскими торцами; используется для изменения масштаба передаваемого
изображения, концентрации света в оптич. системах и т. д. (О волоконно-оптич.
элементах см. также в ст. Оптика неоднородных сред.)
Принципиальным преимуществом
ВС для оптич. связи является огромная широкополосность при низких оптич. потерях.
Так, напр., стеклянные ВС в области нулевой материальной дисперсии (
1,3
мкм) позволяют передавать сигналы с полосой пропускания ~100 ГГц*км при потерях
<1 дБ/км. Волоконная связь отличается также невосприимчивостью к эл--магн.
помехам, малым объёмом и весом линий передач; помогает экономить дефицитные
цветные металлы.
К нач. 80-х гг. создана
элементная база волоконнооптич. систем связи первого поколения, разработаны
и испытаны в реальных условиях разл. системы. Эти системы применяются в телефонных
сетях, кабельном телевидении, бортовой связи, вычислит. технике, системах контроля
и управления технол. процессами и мощными электростанциями.
E. M. Дианов
|
|
 |
