к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Волоконная оптика

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 преломления1119917-304.jpg

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 и разности показателей преломления сердцевины и оболочки 1119917-305.jpg . 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 1119917-307.jpg5-10 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.

1119917-306.jpg

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 1119917-308.jpg , где1119917-309.jpg испытывают полное внутр. отражение, приводя к зигзагообразному распространению света вдоль световода (рис. 2). При этом угол падения луча на торец световода составляет1119917-311.jpg

1119917-310.jpg

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


Меридиональные лучи, падающие на границу сердцевина-оболочка под углом 1119917-312.jpg (прерывистая линия на рис. 2), частично отражаясь на границе раздела, преломляются в оболочку и поглощаются внеш. поглощающим покрытием. Следовательно, угол1119917-313.jpg1119917-314.jpg 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 1119917-315.jpg (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 1119917-316.jpg , 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:

1119917-317.jpg

Здесь А - константа; временная зависимость 1119917-318.jpg опущена; 1119917-319.jpg- функция Бесселя и функция Макдональда порядка 1119917-320.jpg-постоянная распространения направляемых мод, определяемая из решения граничной задачи (1119917-321.jpg может принимать лишь дискретные значения в интервале 1119917-322.jpg); z - направление распространения, совпадающее с осью ВС; 1119917-323.jpg- поперечное волновое число в сердцевине ВС;1119917-324.jpg = 1119917-325.jpg- поперечное волновое число в оболочке ВС; 1119917-326.jpg-волновое число в свободном пространстве.

Величина 1119917-327.jpg наз. характеристическим параметром световода и определяет число мод N, к-рые могут распространяться по ВС. Для ВС со ступенчатым профилем показателя преломления1119917-328.jpg

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 (на1119917-330.jpg=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 на1119917-331.jpg1,8 мкм; рэлеевское рассеяние света на неоднородностях состава и плотности стекла, меньших1119917-332.jpg(на1119917-333.jpg=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.

1119917-329.jpg

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, от1119917-334.jpg. В этом случае групповая скорость моды зависит от частоты света, а поскольку оптич. импульс всегда имеет конечную спектральную ширину 1119917-335.jpg, происходит уширение импульса при его распространении по световоду. Уширение импульса 1119917-336.jpg вследствие материальной дисперсии при распространении по световоду длины L равно

1119917-337.jpg

При распространении по ВС с сердцевиной из плавленого кварца уширение импульса от светодиода на основе GaAlAs, работающего на волне 1119917-338.jpg=0,8 мкм и имеющего относит. спектральную ширину 1119917-339.jpg=0,04, составляет 1119917-340.jpg=4 нс/км. Уширение импульса вследствие материальной дисперсии резко уменьшается, если1119917-341.jpg несущего излучения выбрана в спектральной области вблизи 1,3 мкм, т. к. в этой области для кварцевых стёкол величина1119917-342.jpg

Волноводная дисперсия связана с зависимостью групповой скорости данной моды от1119917-343.jpg 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<1119917-344.jpg<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 1119917-345.jpg . Кубическая восприимчивость 1119917-347.jpg связана с нелинейным показателем преломления nнл след. соотношением:1119917-348.jpg 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.

1119917-346.jpg

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 1119917-349.jpg распадаются на "стоксову" 1119917-350.jpg и "антистоксову"1119917-351.jpg компоненты. Для такого процесса необходимо выполнение фазового синхронизма 1119917-352.jpg . 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 (1119917-353.jpg)~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 1119917-354.jpg О, то световой импульс при своём распространении по ВС будет сжиматься. Возможное сужение импульса определяется той шириной спектра 1119917-355.jpg импульса, к-рая получается в результате такого самовоздействия. Максимально возможное сужение импульса определяется известным соотношением 1119917-356.jpg. 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 (1119917-357.jpg1,3 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.

Литература по волоконной оптике

  1. Вейнберг В. Б., Саттаров Д. К., Оптика световодов, 2 изд., Л., 1877;
  2. Капани H. С., Волоконная оптика, пер. с англ., M., 1969;
  3. Тидекен Р., Волоконная оптика и ее применение, пер. с англ., M., 1975;
  4. Девятых Г.Г., Дианов E. M., Волоконные световоды с малыми оптическими потерями, "Вестн. АН СССР", 1981, M 10, с. 54;
  5. Mидвинтер Дж. Э., Волоконные световоды для передачи информации, пер. с англ., M., 1983;
  6. Дианов E. M., Прохоров A. M., Лазеры и волоконная оптика, "УФН", 1986, т. 148, с. 289.

E. M. Дианов

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, что электромагнитное и другие поля есть различные типы колебаний, деформаций и вариаций давления в эфире.

Понятие же "физического вакуума" в релятивистской квантовой теории поля подразумевает, что во-первых, он не имеет физической природы, в нем лишь виртуальные частицы у которых нет физической системы отсчета, это "фантомы", во-вторых, "физический вакуум" - это наинизшее состояние поля, "нуль-точка", что противоречит реальным фактам, так как, на самом деле, вся энергия материи содержится в эфире и нет иной энергии и иного носителя полей и вещества кроме самого эфира.

В отличие от лукавого понятия "физический вакуум", как бы совместимого с релятивизмом, понятие "эфир" подразумевает наличие базового уровня всей физической материи, имеющего как собственную систему отсчета (обнаруживаемую экспериментально, например, через фоновое космичекое излучение, - тепловое излучение самого эфира), так и являющимся носителем 100% энергии вселенной, а не "нуль-точкой" или "остаточными", "нулевыми колебаниями пространства". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 03.12.2019 - 22:04: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Марины Мелиховой - Карим_Хайдаров.
03.12.2019 - 11:12: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Ю.Ю. Болдырева - Карим_Хайдаров.
30.11.2019 - 19:55: ТЕОРЕТИЗИРОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ - Theorizing and Mathematical Design -> ФУТУРОЛОГИЯ - прогнозы на будущее - Карим_Хайдаров.
30.11.2019 - 18:13: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
29.11.2019 - 08:14: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Декларация Академической Свободы - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:31: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> КОМПЬЮТЕРНО-СЕТЕВАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:30: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:27: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> ПРОБЛЕМА ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА - Карим_Хайдаров.
23.11.2019 - 12:17: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
19.11.2019 - 09:07: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Маклакова - Карим_Хайдаров.
18.11.2019 - 19:10: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution