1. Світловод — основний елемент оптичної системи передачі інформації

Інтенсивні розробки систем оптичного зв’язку почалися з поя­вою лазерів. Однак із часом стало зрозумілим, що, за винятком окремих випадків, відкриті лінії лазерного зв’язку не можуть за­безпечити необхідної надійності через різку залежність загасання оптичного сигналу від метеорологічних умов. Тому потенційні можливості оптичного зв’язку тривалий час залишалися практич­но не реалізованими. Лише в середині 60-х років XX ст. виникла думка про можливість використання для цієї мети скляних воло­конно-оптичних СВІТЛОВОДІБ.

Передача світла по волоконно-оптичним світловодам заснована на використанні ефекту повного внутрішнього відбиття, що впер­ше експериментально спостерігалося Тиндалем у 1870 р. Розгляне­мо механізм евітлопередачі на прикладі класичного світловода — циліндричного двошарового волокна.

Простий волоконний світловод (ВС) являє собою структуру з двох коаксіальних, циліндрів — серцевину з показником пере­ломлення і оболонку з показником переломлення /г₂, зазвичай укладену в захисну оболонку з полімерного матеріалу. Важливою характеристикою ВС є профіль показника переломлення — раді­альна залежність показника переломлення такої структури. При­клади таких профілів показано на рис. 6.16.

Діаметр оболонки ВС зазвичай дорівнює 125 мкм (іноді 30, 200, 400 мкм), радіус а серпевини багатомодових ВС дорівнює

25. 

    Рис. 8.16. Профіль показника переломлення у різних ВС: а — багатомодовий; б — одномодовий; в — градієнтний

    .100 мкм, одномодових — 3...8 мкм. Хід світлового променя

в меридіональній (утримую­чій оптичну вісь) площині ВС показано на рис. 6.17.

Рис, 6.17. Хід променя в оптоволокні

Оскільки внутрішня жи­ла оптично більш щільна, ніж оболонка (п± > гг₂), то для променів, що входять у світ- лодіод під малими кутами відносно осі циліндра, вико­нується умова повного внут­рішнього відбиття.У резуль­таті при падінні світлової хвилі на границю з оболон-

кою вся її енергія відбивається усередину серцевини. Те саме відбу­вається й при всіх наступних відбиттях. Таким чином, світло по­ширюється уздовж осі світловода, не виходячи крізь оболонку.

Промені поширюються уздовж волокна й у тому випадку, якщо показник переломлення зменшується від центра до краю не схід­часто, а поступово (зазвичай за законом, близьким до парабо­лічного).

У таких волокнах через рефракцію промені, що входять у то­рець, фокусуються поблизу осьової лінії. Будь-який відрізок во­локна діє як короткофокусна лінза, викликаючи ефект самофоку­сування. Такі світловоди називають селфоками, або градієнтними світ доводами (рис. 6.16, в).

Критичний (найменший) кут ф_кр повного внутрішнього відбит­тя на границі серцевина — оболонка визначається рівністю

можна записати вираз для числової апертури NA (Numeral Aper­ture) оптоволокна:

Відповідний найбільший кут падіння ©₀ називається кутовою апертурою. Всередині найбільший кут переломлення дорівнює ©р З урахуванням рівняння

При введенні у ВС променя світла з повітря (я₀ = 1) числова апер­тура дорівнює синусу найбільшого кута падіння такого променя.

Промені, що падають на торець під кутом © > ©₀ (позаапертурні промені), при взаємодії з оболонкою не тільки відбиваються, але й переломлюються — частина енергії йде із серцевини (рис. 6.17). В остаточному підсумку після багатьох зустрічей із границею жи­ла — оболонка такі промені повністю розсіюються зі світловодів.

Для досягнення поліпшених характеристик дисперсії ВС роз­роблено кілька типів ВС із більш складним профілем показника переломлення. В оптичних приладах нерідко застосовуються одно­рідні кварцові світловоди із пластиковою оболонкою й полімерні, повністю виготовлені з полімерних матеріалів, світловоди. Як пра­вило, вони відрізняються великим значенням числової апертури (0,3...0,5), більшим діаметром серцевини (150...200 мкм), а за пара­метрами дисперсії й оптичних втрат значно поступаються кращим зразкам ВС. У волоконно-оптичних гіроскопах і у волоконних інтерферометрах використовуються світловоди зі збереженням поляризації випромінювання. У таких одномодових світловодах необхідна оптична анізотропія серцевини оптоволокна досягаєть­ся внаслідок ефекту фотопруясності.

Розходження пружних механічних напруг уздовж ортогональ­них напрямків (*, у) з? перетині світловода створюється завдяки своєрідному розташуванню оболонок, що напружують, у структурі ВС. Приклади поперечних перерізів ВС зі збереженням поляри­зації показано на рис. 6.18.

Отже, волоконні світловоди зазвичай поділяються на одномо- дові, багатомодові, градієнтні, ВС зі збереженням поляризації й ВС

зі складним профілем показника переломлення (до них належать

Рис. 6.18. Волоконні світловоди зі збереженням поляризації: а — з еліптичною оболонкою, ідо напружує; б — типу «PANDA»; в — типу «краватка-метелик»

ВС із декількома світловодними жилами, ВС із некруглою серцеви­ною, а також «дірчасті», мікроструктуровані ВС тощо).

При побудові ліній великої довжини важливо збільшити при­пустиму довжину кабелю між. сусідніми ретрансляторами (довжи­на переприймальної ділянки). Для одержання довжини переприй- мальної ділянки не менше 100 км у лініях з високою швидкістю передачі інформації (10⁹ біт/с) необхідно використовувати одно- модові світловоди із втратами не більше 0,1...0,15 дБ/км. У лініях малої довжини (менш 1 км) надвисокі швидкості передачі принци­пово можуть бути досягнуті на волокнах будь-якого типу з відносно високими втратами (2...З дБ/км).

Оптичні волокна виготовляються двома поширеними методами.

Метод осадження з парової фази (рис. 6.19) заснованих! на високотемпературній (1200... 1600 °С) реакції одержання чистого

кварцу (8і0₂) з газової суміші 8іС1₄ і О2 (1). Через нагріту кварцову трубку 2 пропускають зазначену суміш із домішкою В₂0₃ або ВС1₃. При цьому осідає шар кварцу, лего­ваного бором З, потім осаджують чистий кварц 4. Після одержання шарів необхідної товщини трубку нагрівають сильніше й обтискають до «захлопування», з отриманої за­готовки витягають тонке волокно.

Рис, 6.19. Виготовлення двошарових волокон методом

осадження з парової фази:

1 — газова суміш 8іС1₄ і 0₂ із добавкою В₂0₃ або ВС1₃;

2 — кварцова трубка;

З — шар кварцу, легованого бором; 4 — шар чистого кварцу наприклад, Се₂, А1₂0₃, Ті₂, Р₂Од.

В отриманій тришаровій струк­турі чистий кварц утворить внут­рішню світловедучу жилу, а шар кварцу, легованого бором з мен­шим показником переломлення, — світловідбиваючу оболонку. Третій шар з матеріалу вихідної кварцової трубки у світлопередачі не бере участь. Необхідна світловедуча структура виходить і в тому разі, якщо початковий шар (оболонку) виготовляти не з чистого кварцу, а для серцевини використовувати легування домішками, що підви­щують показник переломлення,

Метод подвійного тигля (рис. 6.20) використовується для одержання во­локон з багатокомпонентного скла з більш низькою температурою роз­м’якшення, ніж у кварцу. Скляні заготовки для створення відповідної серцевини й оболонки безупинно надходять у внутрішній і зовнішній тиглі зверху, а знизу з тонкого сопла витягається двошарове волокно. Для забезпечення високої чистоти тиглі виготовляють із платини або кварцу, а витягування ведуть в умовах, наближених до герметичних. До описаного методу близький і такий процес, при якому окремо виготов­ляються трубка з матеріалу оболон­ки й стрижень з матеріалу серцеви­ни. Стрижень вставляють у трубку й з отриманої заготовки витягають волокно. Основний недолік цього способу — труднощі видалення забруднень з поверхонь заготовок, що утворять згодом границю розділу серцевина — оболонка.