Разработаны разнообразные типы световодов, среди них - линзовые (зеркальные) световоды, представляющие собой систему заключённых в трубу и расположенных на определённых расстояниях линз (зеркал), полые металлич. трубы и др., однако они не нашли широкого применения.
Наиболее перспективный и широко применяемый в настоящее время (1990-е гг.) тип световода - гибкий диэлектрический волоконный световод с низкими оптическими 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 световода, 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 световода 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), которые могут распространяться по световоду при заданной длине волны света. Выбирая 2а1 и n1 - n2 достаточно малыми, можно добиться, чтобы световод работал в одномодовом режиме.
Волоконные световоды 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 световодов, предназначенных для подобных применений, являются оптические потери, дисперсия групповой скорости, оптич. нелинейность и механич. прочность. В 70-х гг. 20 в. созданы волоконные световоды на основе кварцевого стекла с затуханием сигнала ~1 дБ/км в ближней ИК-области спектра. Типичный спектр оптических потерь в таких световодах представлен на рис. 2, а. Минимально возможные потери составляют 0,16 дБ/км на волне 1,55 мкм. Материалом для таких световодов служит кварцевое стекло; различия показателей преломления сердцевины и оболочки достигают легированием стекла (напр., фтором, германием, фосфором).
Др. важной характеристикой одномодовых волоконных световодов, широко применяемых в системах оптич. связи, является дисперсия групповой скорости. На рис. 2, б представлен спектр дисперсии световодов 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 световодов на основе кварцевого стекла максимальна и составляет 1011 Гц*км.
Рис. 2. Спектр оптических потерь (а)
и дисперсии групповой скорости |
Изменением профиля показателя преломления волоконного световода можно сместить нуль дисперсии в область вблизи 1,55 мкм, где расположен абс. минимум оптич. потерь. Такие волоконные световоды (со смещённой дисперсией) разработаны и находят большое применение в широкополосных системах дальней оптич. связи. Разработаны волоконные световоды более сложной конструкции, напр. многослойные световоды, в т. ч. с сильным двулучепреломлением. Одномодовые световоды последнего типа перспективны для применений, где необходимо сохранить поляризацию распространяющегося света.
Хотя стеклянные волоконные световоды первоначально разрабатывались в качестве линейной передающей среды для систем оптич. связи, оказалось, что они являются перспективным нелинейным материалом. Оптическая нелинейность в стеклянных волоконных световодах 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 световода, нелинейность может иметь большой эффект, что связано с малым сечением сердцевины одномодового волоконного световода ~ 10-6 см2. Это означает, что при введении в световод лазерного излучения мощностью 1 Вт интенсивность I ~ 1 МВт/см2. Такая высокая интенсивность сохраняется на больших длинах световод вследствие его низких оптических потерь, обеспечивая длину взаимодействия высокоинтенсивного излучения с веществом вплоть до неск. км. В результате в стеклянных волоконных световодов эффективно протекают разнообразные нелинейные процессы при пороговых мощностях 1-10 мВт.
Наиболее интересным нелинейным эффектом, имеющим большое практическое значение, является солитонный режим распространения оптических импульсов в волоконных световод в спектральной области отрицательной дисперсии групповой скорости ( мкм, рис. 2, б).
В идеальном световоде 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 световодов важной их характеристикой является механическая прочность. Теоретич. прочность на разрыв нитей из кварцевого стекла составляет 20-25 ГПа, максимальная прочность световода на основе кварцевого стекла, защищённых полимерной плёнкой, равна 5-6 ГПа. Прочность высококачеств. волоконных световодов зависит от поверхностных дефектов стекла (трещин, раковин и т. д.), к-рые в присутствии влаги под действием приложенных к световоду напряжений увеличиваются, достигая уровня, при к-ром происходит разрушение световода. Один из эффективных способов повышения прочности световода - нанесение на световод герметичных покрытий в процессе их изготовления. Нанесение металлич. герметичных покрытий позволило получить лабораторные образцы световодов с прочностью до 12-15 ГПа. На рис. 3 приведены функции распределения прочности волоконных световодов с полимерными (а) и металлическими (б)покрытиями.
Рис. 3. Функции распределения
прочности волоконных световодов на основе |
Изготовление и применение световодов. Волоконные световоды 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 световод диаметром 100 мкм с одновременным нанесением на него защитно-упрочняющей оболочки.
Кроме кварцевого стекла для волоконных световодов используют также другие прозрачные в видимой и ИК-областях спектра материалы - многокомпонентные кислородные стёкла, бескислородные стёкла, полимеры и кристаллы. Однако волоконные световоды 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 световодов для волоконно-оптических 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 световодам.
В 80-90-х гг. разработаны волоконные световоды, 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 минимальных оптических потерь современных световодов, и являются альтернативой электронным ретрансляторам в широкополосных волоконно-оптических системах дальней связи.
Для интегральной оптики разработаны диэлектрические волноводы - световоды, 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. Диэлектрические световоды этого типа изготавливают методом катодного распыления материала волновода на подложку, методом эпитаксиального наращивания из жидкой или газообразной фазы, методом ионной имплантации.
Е. М. Дианов