медицина (в том числе крио

бражение на входной торец жгута проецируется с помощью объектива, а выходной торец рассматривается через окуляр. Обычно разрешающая способность волоконных жгутов составляет 10—50 линий на миллиметр. Разработаны устройства, которые позволяют повысить разрешающую способность в два раза.

Технология изготовления оптических волоконных световодов не проста и от неё зависит их оптическое качество. На рисунке 2.10 дана схема процесса изготовления заготовки для вытяжки трёхслойного круглого волоконного световода с низкими потерями методом химического осаждения из газовой фазы.

Из рисунка видно, что в трубку из кварцевого стекла, которая равномерно нагревается внешним источником тепла, вводятся особо чистые хлориды кремния, бора и некоторых других элементов, а также кислород. При окислении образуется легированная двуокись кремния, которая осаждается на внутренней поверхности трубки и формирует стекловидный материал сердцевины и оболочки. При повышении температуры трубка сжимается (“схлопывается”) в сплошной стержень. Таким методом получается заготовка. Затем заготовка проходит операцию устранения внешних дефектов, которая заключается в высокотемпературной полировке её поверхности.

Рис 2.9 - Поэлементная передача изображения волоконной деталью

1 - изображение, поданное на входной торец; 2 - светопроводящая жила; 3 - изолирующая прослойка; 4 - мозаичное изображение, переданное на выходной торец.

Рис 2.10 - Схематическое изображение процесса изготовления заготовки методом химического осаждения из газовой фазы (а) и профиль показателя преломления по сечению заготовки (б)

Следом заготовку устанавливают в специальной установке, на которой производится вытяжка стекловолоконной нити с одновременным покрытием защитной полимерной оболочкой. Затем стекловолоконные нити наматывают на бобины (см. рисунок 2.11 (б)). О высоком оптическом качестве волокна можно судить по его равномерному свечению. На рисунке 2.11 (а) показан волоконный световод, возбуждённый ИАГ лазером. Из рисунка видно, что световод имеет равномерное свечение.

Рис 2.11 - Волоконные световоды

а- волоконные световоды, возбужденные ИАГлазером; б- катушки с волоконными световодами.

Световоды обладают следующими основными достоинствами: помехозащищённость по отношению к электромагнитным воздействиям, скрытость передачи, малый по сравнению с экранированными кабелями вес, потенциально низкая стоимость, благодаря отсутствию меди и свинца, устойчивость к температурным колебаниям, отсутствие опасности возгорания и коротких замыканий. По оценкам специалистов энергетические затраты на производство световодного кабеля в 90000 раз меньше, чем при производстве медного коаксиального кабеля. Разработана технология изготовления волоконных световодов, выдерживающих растягивающие нагрузки около 1,5 кг на длине

впределах километра.

2.3.3.2Распространение оптического сигнала по цилиндрическому волоконному световоду

Вполне ясно, что по световоду могут распространяться световые волны, введённые в него от какого-либо источника излучения. Такими источни-

ками обычно являются лазер или светоизлучающий диод, который помещается у торца световода. Попавшее в сердцевину (жилу) световода излучение не в полном объёме распространяется по нему. Лучи света, падающие к границе раздела под углами меньшими критического, попадают в оболочку и в дальнейшем поглощаются покрытием (защитной оболочкой).

Лучи же света, подходящие к границе раздела под углом выше критического, полностью отражаются обратно в сердцевину световода. Этот процесс полного внутреннего отражения, постоянно повторяясь, обеспечивает распространение излучения вдоль световода.

Рассмотрим простой волоконный световод со ступенчатым профилем показателя преломления. Этот световод имеет резкую границу между жилой и оболочкой, и показатель преломления на границе раздела “жила – оболочка” меняется скачкообразно. На рисунке 2.12 показана схема двухслойного круглого стеклянного волоконного световода со ступенчатым профилем показателя преломления. Из рисунка. 2.12 видно, что такой световод состоит из однородной сердцевины диаметром d1 = 2a1 и показателем преломления n1, заключённой в оболочку с показателем преломления n2 диаметром d2 = 2a2.

Причём n1 > n2.

В рассматриваемом случае могут передаваться два типа лучей: меридиональные, пересекающие ось световода, и косые, которые не пересекают её. В ступенчатом световоде лучи распространяются вдоль жилы, испытывая полное внутреннее отражение на границе раздела сред.

Рисунок 2.12 - Схематическое изображение двухслойного круглого стеклянного волоконного световода со ступенчатым профилем показателя преломления и ход меридиональных лучей

1 - сердцевина (жила); 2 - оболочка

Рассмотрим ход меридиональных лучей. На рисунке 2.12 показано введение светового луча под углом Θ0 из среды с показателем преломления n0 в жилу волоконного световода (n1), где на границе (жила – оболочка) сред с показателями преломления n1 и n2 (n1 > n2) он претерпевает полное внутреннее отражение.

Как было показано, полное внутреннее отражение происходит тогда, когда угол отражения внутри световода больше критического угла

sinΘk = n2/n1

Исходя из закона преломления Снелля критический угол может быть связан с углом падения луча в жилу следующей зависимостью:

где ∆ =1− n1 , n0

Величина n0.sinΘ0 называется числовой апертурой NA, от которой в значительной степени зависит количество введённой в световод энергии. Иначе говоря, максимальный угол отклонения лучей, вводимых в световод, при котором наблюдается их полное внутреннее отражение на границе раздела сред существенно зависит от числовой апертуры световода. Так, для жилы из плавленого кварца (n1 = 1,6) и ∆ =0,01 числовая апертура NA=0,2 , максимальный угол ввода излучения Θ0 составляет 23,10. Небольшое значение угла Θ0 вызывает определённые трудности при вводе излучения в жилу световода.

Потери световой энергии в световодах происходят по совокупности причин. Вводимое в волоконный световод оптическое излучение теряет часть своей энергии как при вводе, так и при распространении по нему. Общая картина потерь показана на рисунке 2.13. При вводе света в волоконный световод часть света попадает в покрытие и поглощается им, другая часть теряется на входе за счёт отражения от его торца. Введённый в световод свет, распространяясь по нему, также теряет часть своей энергии, что обусловлено различными причинами.

Рис 2.13 - Общая картина потерь в волоконном световоде

Всовокупности потери могут быть столь значительными, что окажутся

всостоянии привести к полному затуханию вводимого света. Основными причинами потерь света при распространении по световоду считают его поглощение в материале жилы в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра электромагнитного излучения и рассеяние на различного рода её неоднородностях.

На рисунке 2.14 (а) показаны оптические потери (собственное затухание) в световоде.

Рис 2.14 - Оптические потери от собственного затухания в свето-

воде (пояснение в тексте)

Известно, что в твёрдых материалах (в т. ч. стекле) атомы соединены между собой электронами, образующими химические связи, и короткие волны соответствуют их энергиям. В силу чего в этом случае коротковолновое излучение будет поглощаться более интенсивно, чем длинноволновое, и теряться в виде тепла. Поэтому, в коротковолновой области оптического излучения (ультрафиолетовая область) затухание волн будет определяться электронным поглощением.

В более длинноволновой области оптического спектра (инфракрасной) колебательное поглощение является основным фактором ослабления введённого в световод излучения некоторой длины волны. Оно зависит от масс, размеров и зарядов атомов данного твёрдого тела. Массы атомов и силы связи

Есть и другое явление, возникающее при передаче по световоду определённой последовательности оптических импульсов, которое ограничивает информационную ёмкость канала связи.

Известно, что любой световой импульс неоднороден. Он состоит из набора волн (волнового пакета). Даже лазерное излучение имеет определённую спектральную ширину с набором достаточно близких волн, которые всё же немного отличаются между собой по частоте. Входящие в состав пакета волны, оказываются разного цвета: высокочастотные – “синие” и низкочастотные – “красные”.

В световодах эти компоненты передаваемого импульса распространяются с различными скоростями, что является причиной их временного удлинения. Такое временное удлинение светового импульса при передаче по световодам называют дисперсией (см. рисунок 2.15). Для объяснения этого явления различные авторы приводят следующий простой пример.

Рис 2.15 - Временное удлинение светового импульса при передаче по световоду

Положим, две группы бегунов приготовились к последовательному старту на длинную дистанцию. Первая группа (первый “пакет”) бегунов стартует в заданное время. Естественно, группа растянется из-за разности скорости бегунов. Через определённый промежуток времени за первой группой стартует вторая группа (второй “пакет”) бегунов. Может случиться так, что наиболее быстрые бегуны второй группы догонят отстающих первой группы и они финишируют вместе.

Аналогичным образом при передаче последовательных световых импульсов возможно их перекрытие на выходе из световода, что приводит к появлению помех и потере информации.

Показано, что в многомодовом световоде с радиусом сердечника 15 мкм и ∆n = 1 % интервал между самой быстрой и самой медленной МОДами составляет 60 нс после прохождения расстояния в 1 км. При передаче импульсных световых сигналов через одномодовые световоды, которые пропускают только один тип колебаний, явление дисперсии минимально.

Оказалось, что уменьшение расширения светового импульса можно получить и в многомодовых световодах, где разные типы колебаний распрос-