СВЕТОВОД

СВЕТОВОД

       

(светопровод, волновод оптический), закрытое устройство для направленной передачи (канализации) света. В открытом пр-ве его передача возможна только в пределах прямой видимости и связана с потерями, обусловленными 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.

Одним из типов С. явл. л и н з о в ы й в о л н о в о д — система заключённых в трубу и расположенных на определ. расстояниях (обычно через 50—100 м) стеклянных линз, к-рые служат для периодич. коррекции волн. фронта светового пучка. В кач-ве корректоров могут также применяться газовые линзы или зеркала определённой формы.

Наиболее перспективный тип С.— гибкий волоконный С. с низкими оптич. потерями, позволяющий передавать свет на большие расстояния. Он представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина к-рой радиуса а1 имеет показатель преломления n1, а внеш. оболочка с радиусом а2 имеет показатель преломления n2

Поэтому лучи, распространяющиеся под достаточно малыми углами к оси С., испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине. В зависимости от назначения С. его диаметр 2a1 составляет от неск, мкм до неск. сотен мкм, а 2а2— от неск. десятков до неск. тысяч мкм. Величины 2а1 и n1 -n2 определяют число типов волн (мод), к-рые могут распространяться по С. при заданной длине волны света.

Рис. 1. Поперечное сечение волоконного световода.

Выбирая 2a1 и n1-n2 достаточно малыми, можно добиться, чтобы С. работал в одномодовом режиме. Волоконные С. находят широкое применение в системах оптической связи, в вычислит. технике, в датчиках разл. физ. полей и т. д.

Важнейшими хар-ками С., предназначенных для подобных применений, являются оптич. потери, обусловленные поглощением и рассеянием света в С., и информац. полоса пропускания. В 70-х гг. 20 в. созданы волоконные С. с малыми потерями: затухание сигнала =1 дБ/км в ближней ИК области спектра. Типичный спектр оптич. потерь в таких С. представлен на рис. 2.

Рис. 2. Спектр оптич. потерь в стеклянном волоконном световоде.

Материалом для этих С. служит кварцевое стекло; различия показателей преломления сердцевины и оболочки достигают легированием стекла (напр., бором, германием, фосфором). Минимально возможные потери в таких С. составляют =0,2 дБ/км на волне 1,55 мкм. Полоса пропускания типичных многомодовых волоконных С. со ступенчатым профилем показателя преломления составляет величину 20—30 МГц•км, с градиентным профилем — 400—600 МГц•км. Наиболее широкополосны одномодовые С. в области длин волн 1,26—1,32 мкм, где материальная дисперсия кварцевых стёкол ближе к 0; полоса пропускания составляет —1011 Гц•км.

Волоконные С. с самыми низкими потерями изготавливают методом хим. осаждения из газовой фазы. В кач-ве исходных соединений используются хлориды кремния, германия и др. Получаемая этим методом заготовка диаметром 10—20 мм и длиной 200— 400 мм перетягивается в волоконный С. диаметром 125—150 мкм с одноврем. покрытием его защитно-упрочняющей полимерной оболочкой.

Разработаны волоконные С. более сложной конструкции, напр. многослойные С. и С. с эллиптической сердцевиной. Одномодовые С. последнего типа перспективны для применений, где требуется сохранение поляризации распространяющегося света. Перспективными явл. волоконные С. для среднего ИК диапазона длин волн (2—11 мкм), в к-рый попадают длины волн генерации химических, СО и СО2-лазеров. Имеются материалы, такие, как халькогенидные стёкла, флюоридные стёкла, щёлочно-галоидные кристаллы, в к-рых оптич. потери могут составлять величину =10-1—10-3 дБ/км в указанном диапазоне.

Для целей интегральной оптики разработаны тонкоплёночные и диффузные диэлектрич. волноводы — С., представляющие собой тонкую (порядка длины световой волны) однородную плёнку, нанесённую на однородную подложку. Необходимое условие волноводного режима, т. е. существования поверхностных световых волн, заключается в том, что показатель преломления плёнки больше показателей преломления подложки и среды над волноводом. Световая волна в таком С. распространяется в процессе многократных полных отражений от её стенок. Диэлектрич. С. изготавливают методом катодного распыления стекла или др. материала (ZnS, CdS, ZnSe) на кварцевой подложке, методом эпитаксиального наращивания из жидкой или газообразной фазы, методом ионной имплантации (подложка бомбардируется ионами Li, T1 или протонами).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

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.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.