Световод (волновод оптический). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Световод, волновод оптический - закрытое устройство для направленной передачи света. В открытом пространстве передача света возможна только в пределах прямой видимости и ограничивается нач. расходимостью излучения, поглощением и рассеянием в атмосфере. Переход к световодам позволяет значительно уменьшить потери световой энергии при её передаче на большие расстояния, а также передавать световую энергию по криволинейным трассам.

Разработаны разнообразные типы световодов, среди них - линзовые (зеркальные) световоды, представляющие собой систему заключённых в трубу и расположенных на определённых расстояниях линз (зеркал), полые металлич. трубы и др., однако они не нашли широкого применения.

Наиболее перспективный и широко применяемый в настоящее время (1990-е гг.) тип световода - гибкий диэлектрический волоконный световод с низкими оптическими потерями (см. Волоконная оптика ),позволяющий передавать свет на большие расстояния. В простейшем варианте он представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина к-рой радиуса a₁ имеет показатель преломления n₁, а оболочка с радиусом а₂ имеет показатель преломления п₂ <п₁ (рис. 1). В приближении геом. оптики лучи, входящие в сердцевину под достаточно малыми углами к оси световода, испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине.

В зависимости от назначения световода диаметр сердцевины 2a₁ составляет от неск. мкм до неск. сотен мкм, а 2а₂ - от неск. десятков до примерно тысячи мкм.

Величины 2a₁ и п₁ - п₂ определяют число типов волн (мод), которые могут распространяться по световоду при заданной длине волны света

. Выбирая 2а₁ и n₁ - n₂достаточно малыми, можно добиться, чтобы световод работал в одномодовом режиме.

Волоконные световоды находят широкое применение в системах оптической связи, в датчиках разл. физ. полей, в вычислит. технике, для канализации мощного лазерного излучения для медицинских и технол. целей и т.д.

Характеристики волоконных световодов. Важнейшими характеристиками световодов, предназначенных для подобных применений, являются оптические потери, дисперсия групповой скорости, оптич. нелинейность и механич. прочность. В 70-х гг. 20 в. созданы волоконные световоды на основе кварцевого стекла с затуханием сигнала ~1 дБ/км в ближней ИК-области спектра. Типичный спектр оптических потерь

в таких световодах представлен на рис. 2, а. Минимально возможные потери составляют

0,16 дБ/км на волне 1,55 мкм. Материалом для таких световодов служит кварцевое стекло; различия показателей преломления сердцевины и оболочки достигают легированием стекла (напр., фтором, германием, фосфором).

Др. важной характеристикой одномодовых волоконных световодов, широко применяемых в системах оптич. связи, является дисперсия групповой скорости. На рис. 2, б представлен спектр дисперсии световодов на основе кварцевого стекла. Видно, что кривая дисперсии проходит через 0 вблизи

мкм. Это означает, что именно в этой спектральной области информац. полоса пропускания одномодовых волоконных световодов на основе кварцевого стекла максимальна и составляет

10¹¹ Гц*км.

Изменением профиля показателя преломления волоконного световода можно сместить нуль дисперсии в область вблизи 1,55 мкм, где расположен абс. минимум оптич. потерь. Такие волоконные световоды (со смещённой дисперсией) разработаны и находят большое применение в широкополосных системах дальней оптич. связи. Разработаны волоконные световоды более сложной конструкции, напр. многослойные световоды, в т. ч. с сильным двулучепреломлением. Одномодовые световоды последнего типа перспективны для применений, где необходимо сохранить поляризацию распространяющегося света.

Хотя стеклянные волоконные световоды первоначально разрабатывались в качестве линейной передающей среды для систем оптич. связи, оказалось, что они являются перспективным нелинейным материалом. Оптическая нелинейность в стеклянных волоконных световодах возникает в результате зависимости показателя преломления п от интенсивности лазерного излучения

, где n₀ - линейная часть показателя преломления при произвольно низких значениях интенсивности, не зависящая от интенсивности; п'I - нелинейная добавка, п' - коэф., величина к-рого для кварцевого стекла равна 3,2*10^-16 см²/Вт. Малая величина п' для кварцевого стекла показывает, что оно не является хорошим нелинейным материалом. Однако, когда стекло используется в виде волоконного световода, нелинейность может иметь большой эффект, что связано с малым сечением сердцевины одномодового волоконного световода ~ 10^-6 см². Это означает, что при введении в световод лазерного излучения мощностью 1 Вт интенсивность I ~ 1 МВт/см². Такая высокая интенсивность сохраняется на больших длинах световод вследствие его низких оптических потерь, обеспечивая длину взаимодействия высокоинтенсивного излучения с веществом вплоть до неск. км. В результате в стеклянных волоконных световодов эффективно протекают разнообразные нелинейные процессы при пороговых мощностях 1-10 мВт.

Наиболее интересным нелинейным эффектом, имеющим большое практическое значение, является солитонный режим распространения оптических импульсов в волоконных световод в спектральной области отрицательной дисперсии групповой скорости (

мкм, рис. 2, б).

В идеальном световоде без потерь оптический солитон распространяется без изменения своей формы. Поэтому солитоны перспективны как носители информации в широкополосных и протяжённых волоконно-оптич. системах связи. Разработаны лаб. солитонные системы связи, к-рые, как полагают, могут использоваться в коммерч. сетях связи в нач. 21 в.

При практич. использовании волоконных световодов важной их характеристикой является механическая прочность. Теоретич. прочность на разрыв нитей из кварцевого стекла составляет 20-25 ГПа, максимальная прочность световода на основе кварцевого стекла, защищённых полимерной плёнкой, равна 5-6 ГПа. Прочность высококачеств. волоконных световодов зависит от поверхностных дефектов стекла (трещин, раковин и т. д.), к-рые в присутствии влаги под действием приложенных к световоду напряжений увеличиваются, достигая уровня, при к-ром происходит разрушение световода. Один из эффективных способов повышения прочности световода - нанесение на световод герметичных покрытий в процессе их изготовления. Нанесение металлич. герметичных покрытий позволило получить лабораторные образцы световодов с прочностью до 12-15 ГПа. На рис. 3 приведены функции распределения прочности волоконных световодов с полимерными (а) и металлическими (б)покрытиями.

Изготовление и применение световодов. Волоконные световоды на основе кварцевого стекла с низкими оптич. потерями изготовляют методом хим. осаждения из газовой фазы. В качестве исходных соединений используются кислород и хлориды кремния, германия, фосфора и др. Получаемая этим методом заготовка диам. 20-30 мм и длиной 400-1000 мм перетягивается в волоконный световод диаметром

100 мкм с одновременным нанесением на него защитно-упрочняющей оболочки.

Кроме кварцевого стекла для волоконных световодов используют также другие прозрачные в видимой и ИК-областях спектра материалы - многокомпонентные кислородные стёкла, бескислородные стёкла, полимеры и кристаллы. Однако волоконные световоды на основе кварцевого стекла обладают наинизшими оптич. потерями и наивысшей механич. прочностью, поэтому они нашли самое широкое применение.

В 1990 в мире произведено св. 5 млн. км волоконных световодов для волоконно-оптических 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. телефонных разговоров на Земле производится по волоконным световодам.

В 80-90-х гг. разработаны волоконные световоды, легированные эрбием, перспективные в качестве активной среды в волоконных усилителях, накачиваемых излучением полупроводниковых лазеров. Эрбиевые волоконные усилители работают в спектральной области вблизи 1,55 мкм, совпадающей с областью минимальных оптических потерь современных световодов, и являются альтернативой электронным ретрансляторам в широкополосных волоконно-оптических системах дальней связи.

Для интегральной оптики разработаны диэлектрические волноводы - световоды, представляющие собой тонкую (порядка

) плёнку, нанесённую на подложку. Условие волноводного режима распространения излучения заключается в том, что показатель преломления плёнки больше показателей преломления подложки и среды над волноводом. Диэлектрические световоды этого типа изготавливают методом катодного распыления материала волновода на подложку, методом эпитаксиального наращивания из жидкой или газообразной фазы, методом ионной имплантации.

Литература по световодам (оптическим волноводам)

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.