Волоконная оптика
Волоконная оптика- раздел оптоэлектроники, связанный с исследованием явлений, возникающих в волоконных световодах при распространении в них оптического излучения. К волоконной оптике относят также разработку методов создания волоконно-оптических элементов и систем, в которых эти явления используются для направленной передачи световой энергии и информационных сигналов.
В качестве первых волоконно-оптических элементов использовались волоконные световоды, изготовленные из стекла. В таких световодах, вследствие значительного поглощения оптического излучения содержащимися в стекле примесями, коэффициент пропускания в видимой области спектра составлял 30 - 70% на длине ~1 м.
Дальнейшее развитие волоконной оптики связано с созданием в 70-е гг. волоконных световодов на основе кварцевого стекла с оптическими потерями ~ 1 дБ/км (2,303·10-6см-1) в ближнем ИК диапазоне (при этом коэффициент пропускания составляет около 50% на длине световода в несколько км). Важнейшие области применения таких световодов — системы дальней оптической связи, передачи телеметрической информации, сети ЭВМ, бортовые системы связи, а также датчики различных физических полей (магнитного, гравитационного, температурного и др.).
Волоконный световод в простейшем случае представляет собой гибкую нить (волокно) с сердцевиной из высокопрозрачного диэлектрика, окружённой оболочкой с меньшим показателем преломления, чем у сердцевины. Направленная передача световой энергии в нём происходит вследствие явления полного внутреннего отражения света на границе между сердцевиной и оболочкой. Характер прохождения оптического излучения зависит от поперечных размеров световода и распределения величины показателя преломления по его сечению. Так, число типов оптических колебаний (мод колебаний), которые могут распространяться в волоконном световоде, пропорционально квадрату диаметра его сердцевины и разности между показателями преломления сердцевины и оболочки. Уменьшая произведение этих величин, можно получить световод, в котором возможно распространение только одной моды колебаний (одномодовый световод). К 80-м гг. наибольшее распространение получили многомодовые ступенчатые (ступенчатое изменение показателя преломления по сечению), многомодовые градиентные (плавное изменение показателя преломления по сечению) и одномодовые волоконные световоды. В одномодовых световодах диаметр сердцевины обычно лежит в пределах от 5 до 10 мкм (для ближнего ИК диапазона), в многомодовых - от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров. Разность показателей преломления материалов сердцевины и оболочки, как правило, составляет десятые доли процента для одномодовых и 1-2% - для многомодовых световодов. Полный диаметр волоконных световодов составляет 0,1 – 1 мм.
Распространение света по волоконному световоду сопровождается различными оптическими явлениями. К важнейшим из них относятся затухание оптического сигнала, уширение коротких импульсов света, различные нелинейные процессы. Затухание оптического сигнала связано, прежде всего, с поглощением в УФ области спектра (обусловленным электронными переходами), решёточным поглощением в ИК области (возбуждения колебательных степеней свободы) и рэлеевским рассеянием (рассеянием на «замороженных» флуктуациях плотности и неоднородностях состава стекла). Наилучшими характеристиками (по величине оптических потерь, дисперсии, механической прочности, радиационной стойкости и др.) обладают волоконные световоды, выполненные на основе кварцевого стекла, которое для повышения показателя преломления обычно легируется германием и фосфором, а для понижения - бором и фтором. В таких световодах величина оптических потерь составляет 2 - 3 дБ/км в спектральной области 0,8 - 0,9 мкм и менее 1 дБ/км - в области 1 - 1,5 мкм. Достигнутый минимум оптических потерь равен 0,154 дБ/км на длине волны 1,55 мкм и близок к теоретическому пределу.
При распространении по волоконному световоду оптические импульсы уширяются, что приводит к их взаимному перекрытию, ограничивающему информационную полосу пропускания световода. Уширение оптических импульсов обусловлено межмодовой дисперсией (связанной с различием групповых скоростей разных мод), материальной дисперсией (вызванной зависимостью показателя преломления материала световода от длины волны оптического излучения) и волноводной дисперсией (связанной с зависимостью групповой скорости моды от длины волны). В ступенчатых многомодовых световодах межмодовая дисперсия обычно ограничивает полосу пропускания до нескольких десятков МГц·км. В градиентных световодах выбор оптимального профиля показателя преломления позволяет получить полосу пропускания 700-1000 МГц·км и более. В одномодовых световодах полоса пропускания определяется в основном материальной дисперсией и достигает 100 ГГц·км.
Малый диаметр сердцевины и низкие оптические потери волоконных световодов позволяют поддерживать высокую интенсивность оптического излучения (~1010Вт/см2) на длине световода более 1 км. При этом в волоконном световоде проявляются различные нелинейные эффекты (вынужденное рассеяние света, четырёхфотонные параметрические процессы и др.). Так, вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) наблюдается в световоде при мощности накачки порядка сотен милливатт. На основе ВКР созданы перестраиваемые волоконные рамановские генераторы когерентного излучения в ближней ИК области (с перестройкой частоты ~300 см-1). Вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна проявляется при мощности накачки 10—20 мВт; с помощью этого эффекта осуществляется обращение волнового фронта, которое широко используется для повышения пространственной когерентности излучения. К нелинейным явлениям относится также самомодуляция световых импульсов, которая в области аномальной дисперсии материала световода позволяет получать сверхкороткие импульсы света (длительностью ~10-15с). Такие импульсы используются для исследования сверхбыстрых (субпикосекундных) процессов в веществе. Возможна также реализация солитонного режима прохождения светового импульса, когда при распространении по волоконному световоду импульс либо не изменяет своей формы, либо изменяет её периодически. Реализация такого режима позволит существенно повысить ширину полосы пропускания волоконно-оптической системы.
Технология изготовления волоконных световодов из кварцевого стекла основана на химическом осаждении материала световода из газовой фазы. В качестве исходного вещества применяются чистые летучие галиды (хлориды германия, кремния и др.), а также активные (кислород и водород) и инертные (аргон, гелий и др.) газы. Метод изготовления заключается в термическом или плазменном окислении хлоридов с последующим осаждением твёрдой фазы либо на внутренней поверхности кварцевой трубки (метод химического осаждения внутри трубки), либо на внешней боковой (метод внешнего осаждения) или торцевой (метод аксиального осаждения) поверхности так называемого затравочного кварцевого стержня. После проплавления опорной трубки с нанесёнными (осаждёнными) слоями или пористой заготовки, состоящей из спечённой массы сажеподобных частичек кварцевого стекла, получают сплошной стеклянный стержень (заготовку), имеющий волноводную структуру — сердцевину, окружённую оболочкой с меньшим показателем преломления. Из такого стержня, полученного осаждением внутри трубки, имеющего диаметр 10 - 20 мм и длину 1 м, вытягивают (при нагревании) волоконный световод длиной ~10 км, с внешним диаметром обычно 125 мкм и диаметром сердцевины 50 мкм. Методом аксиального осаждения получают заготовки, из которых вытягивают волоконные световоды длиной ~100 км с диаметром 125 мкм.
С середины 80-х гг. получили распространение кварцполимерные волоконные световоды, в которых сердцевина выполняется из чистого кварцевого стекла, а оболочка — из силиконовой резины (прозрачного кремнийорганического полимера). Оптические потери в таких световодах больше (по сравнению со стеклянными) и составляют несколько дБ/км, что обусловлено значительными потерями в оболочке. Созданы также полимерные волоконные световоды. Например, в световодах на основе полиметилметакрилата и полистирина оптические потери в видимой области спектра составляют несколько десятков дБ/км. Такие световоды предназначены для использования в оптических линиях связи, рассчитанных на небольшие расстояния, что обусловлено их высокой гибкостью, возможностью быстрого и надёжного соединения друг с другом и с источниками оптического излучения, а также малой массой и низкой стоимостью. В начале 90-х гг. разрабатываются волоконные световоды среднего ИК диапазона (длина волны 2-15 мкм), предназначенные для передачи информации, а также мощного лазерного излучения. Для создания таких световодов используются халькогенидные стёкла (например, As2Se3), флюоридные стёкла (например, фториды циркония, бария, лантана и алюминия с добавками щелочных металлов), галогениды таллия и серебра. В таких световодах величина оптических потерь предполагается на 1-2 порядка ниже, чем в волоконных световодах на основе кварцевого стекла. Однако теоретический предел пока не достигнут. Так, оптические потери в световодах на основе флюоридных стёкол составляют ~1 дБ/км (на длине волны 2,55 мкм), халькогенидных стёкол - 60 дБ/км (на длине волны 5,5 мкм) и в поликристаллических световодах из кристаллов КРС-5 (TIBrI) - 400 дБ/ км (на длине волны 10,6 мкм). Поликристаллические световоды широко используются для передачи мощного (до 15 Вт) оптического излучения СО и СО2лазеров на расстояние ~1 м.