5.4 Волоконные световоды

Волоконный световод представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала с радиусом R и показателем преломления n₂, внутри которого расположена сердце­вина с радиусом r и показателем преломления n₁ > n₂. Конструкция волоконного световода представлена на рис. 5.6, а.

В приближении геометрической оптики лучи, входящие на границу "оболочка—сердцевина" волокна под углами , испытывают полное внутреннее отражение на поверхно­сти раздела двух оптических сред (рис. 5.6, б). Величина критического угла θ, определяется из соотношения:

(5.12)

б)

а)

Рис. 5.6. Конструкция волоконного световода (а) и траектория распространения лучей (б)

Свет распространяется по световоду по зигзагообразной траектории. Величина угла является мерой способности захватить световую энергию. Синус угла θ_кр называется числовой апертурой световолокна.

Характер распространения оптического излучения по световолокну зависит от его поперечных размеров и профиля показателя преломления по сечению. Волноводы как правило, бывают двух типов – ступенчатые и гралдиентные (рис. 5.7). Ступенчатые волноводы представляют собой двухслойную структуру с однородным распределениемпоказателей преломления сердечника и оболочки. В градиентных волноводах показатель преломления уменьшается от центра к краю поперечного сечения сердечника пропорционально квадрату радиуса. Оптический пучок проходит по такому волокну, периодически фокусируясь в точку на оптической оси, как через ряд линз.

Короткий оптический импульс, проходя по ступенчатому волокну, удлиняется, из-за того, что моды, идущие под малыми лучами к оси волокна, распространяется быстрее мод, идущих под большими углами. Такое явление называют дисперсией мод, а волновод, где происходит дисперсия мод – много модовым.

Число мод, которые могут распространяться по световолокну, зависит от квадрата диаметра сердцевины и разности показателей преломления . Число мод N, которое можно передать по световолокну, в первом приближении определяется из соотношения

(5.13)

В градиентном волноводе оптические пучки, проходящие разными путями, практически одновременно сходятся в точку, поэтому удлинение импульса меньше, чем в ступенчатом волноводе. Если в ступенчатом волноводе скорость передачи информации, вследствие дисперсии мод, ограничивается несколькими десятками мегабит в секунду, то в градиентных волноводах скорость передачи возрастает до тысячи гигабит в секунду. Для улучшения характеристик ступенчатых волноводов диаметр сердечника уменьшается до нескольких мкм. В таком волноводе все моды проходят под малыми углами, что делает волновод одномодовым

На рис. 5.7 приведены типичные поперечные сечения и профиль распределения показателя преломления по сечению. Материалом для оптических световодов обычно служит кварцевое стекло. Различные показатели преломления достигаются путем легирования стекла фтором, германием, фосфором и др.

Рис. 5.7. Сечение и профиль показателя преломления по сечению многомодового ступенчатого (а), одномодового (б) и многомодового градиентного (в) световодов

Важнейшими характеристиками материалов, ограничивающими их использование, являются оптические потери, дисперсия групповой скорости, нелинейные оптические процессы, механическая и лучевая прочность.

Затухание оптических пучков в стеклянных световодах в видимом и ближнем инфракрасных диапазонах определяется как фундаментальными механизмами поглощения и рассеяния света (электронные переходы, колебания решетки), так и рассеянием света на неоднородностях состава и дефектах. Спектр оптических потерь для кварцевого стекла, которое имеет максимальную прозрачность в указанном диапазоне среды других подобных материалов, представлен на рис. 5.8

∂Б/км

Рис. 5.8. Спектральная зависимость оптических потерь в световоде: а – в кварцевом стекле; б – в одномодовом световоде: 1 – поглощение, обусловленное электронными переходами; 2 – релеевское рассеяние; 3 – поглощение, обусловленное колебаниями решетки; 4 – суммарные потери

Именно минимум потерь вблизи 1,55 мкм с учетом частотных возможностей полупроводниковых лазеров послужило причиной выбора рабочей частоты оптических линий связи. Минимальные возможные потери при распространении оптического пучка составляют доли дБ/км для современных кварцевых стекол.

Уширение оптических импульсов вследствие дисперсии групповой скорости (рис. 5.9) приводит к их взаимному перекрытию, что ограничивает информационную полосу пропускания волоконных световодов.

Рис. 5.9. Дисперсия групповой скорости dV/dλ (произвольные еденицы)

Спектральное положение нулевой дисперсии можно сместить в полосу минимума оптических потерь (1,55 мкм) путем применения более сложной структуры изменения показателей преломления по сечению волновода (градиентные волноводы).

Оптические нелинейности возникают в волоконных световодах в результате зависимости показателя преломления материала световода от интенсивности лазерного излучения I.

n = n₀+n^/I (5.14)

где n₀ – линейная часть показателя преломления при произвольно низких значениях интенсивности, n^/I – нелинейная добавка.

Оптические нелинейные эффекты в световодах возникают уже при мощности оптического пучка порядка нескольких ватт и могут приводить к двум эффектам: вынужденному рассеянию света и к сжатию импульсов. Эти эффекты уже нашли применение для перестройки частоты и длительности импульсов в волоконных генераторах лазерного излучения.

В волоконных световодах возможно образование солитонного режима распространения оптических импульсов. Солитоном (от латинского – solus – один) называется локализованный в пространстве импульс, форма которого определяется в нелинейной среде двумя конкурирующими процессами: расплыванием импульса вследствие дисперсии и углубления нарастающего волнового фронта импульса. При солитонном характере распространения импульс проходит через нелинейный световод без изменения формы, что позволяет повысить плотность передаваемой информации в длинных линиях оптической связи.

Существенной характеристикой волоконных световодов является их механическая прочность. Прочность высококачественных световодов зависит от поверхностных дефектов стекла, поэтому для повышения плотности используют герметичные внешние покрытия.

В настоящее время по-прежнему наибольшее распространение получили волоконные световоды из кварцевого стекла, которые изготовляют методом химического осаждения из газовой фазы. Полученные этим методом заготовки диаметром порядка 20-30 мм и длиной до нескольких десятков см затем перетягиваются в волоконные световоды диаметром до 100 мкм с одновременным нанесением защитно-упрочняющей оболочки. В другом способе осуществляется вытягивание нити из тигля с расплавом стекла.

Контрольные вопросы

1. Какие этапы развития оптоэлектроники вы знаете?

2. Что такое световод?

3. Чем отличаются плоские и волоконные световоды?

4. Какие элементы связи вы знаете?

5. Что такое активные световоды?

Рекомендуемая литература

1. Щука А.А. Наноэлектроника. Учебное пособие. Москва, Физматкнига, 2007.

2. Дудкин В.И., Пахомов Л.Н. основы квантовой электроники. Учебное пособие. СПб, издательство СПбГТУ, 2001.

3. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей. Москва, Радио и связь, 2003.

4. Алиев И.И., Колчанов С.Г. Электротехнические материалы и изделия. Справочник. Москва, Радиософт, 2005.