4.5.2. Градиентные и другие типы световодов

Изменение показателя преломления на границе между сердцевиной и оболочкой двухслойного волокна обычно происходит не скачком, как показано на рис. 4.12, а, в большей или меньшей мере плавно. На практике применяют также волоконные световоды, у которых сердцевина изготовлена заведомо такой, чтобы показатель преломления постепенно убывал от максимального значения на его оси до минимального значения на его поверхности (рис. 4.12,6). Второй прозрачный слой (как у двухслойного световода) отсутствует; световедущая жила может быть защищена непосредственно эластичной упрочняющей оболочкой. Волоконные световоды такого типа называют градиентными, граданами или селфоками (последнее от англ. self-focusing — самофокусирующийся).

Лучи, распространяющиеся вдоль оси градиентного световода, не отклоняются, а направленные под углом к ней, испытывают рефракционное искривление траектории (явление, подобное рефракции в атмосфере Земли, газовой оболочке Солнца и т. п.). Если луч введен в световолокно под малым углом к его оси, он изгибается сравнительно слабо и возвращается к оси. Лучи, введенные в градиентный световод под большими углами, заходят в области световода, которые отстоят дальше от его оси. При этом, однако, они распространяются быстрее, так как при удалении от оси показатель преломления уменьшается (v=с/nв). Возникает возможность уравнять времена распространения лучей, падающих на торец световода под разными углами, задавая необходимый закон изменения пв(х) (рис. 4.12,б). Как показывают расчеты, таким свойством обладает световедущее волокно, в котором пв убывает от его оси к периферии по квадратичному закону. Для всех волноводных мод оптическая длина пути в этом случае практически одинакова, т. е. модовая дисперсия в таком световоде резко ослаблена.

При использовании волоконных световодов возникает проблема, связанная с тем, что в длинноволновой спектральной области (λ≥1,7÷1,8 мкм) хорошо освоенные стекла, используемые для изготовления световолокон, сильно поглощают излучение. Они поэтому не могут служить световедущим материалом для среднего и дальнего инфракрасного диапазона. Для этой спектральной области могут применяться так называемые газодиэлектрические световоды. Такой световод представляет собой микрокапилляр (тонкую стеклянную трубку), заполненный газом, показатель преломления которого больше, чем воздуха, окружающего микрокапилляр снаружи, но меньше, чем стекла (рис. 4.12,в). Для этого капилляр наполняют, например, углекислым газом или же воздухом под давлением. В такой конструкции реализуется такое же соотношение показателей преломления, как в плоском диэлектрическом волноводе на подложке без защитного слоя. Существует некоторый интервал углов по отношению к оси волновода, когда световой пучок превращается в излучательную моду подложки. В рассматриваемом случае это приводит к канализации волны, распространяющейся во внутренней плоскости микрокапилляра. Распространяясь зигзагообразно, световой пучок каждый раз дважды проходит стенку капилляра. Канализироваться за счет отражения от внутренней стенки капилляра луч не может, так как при этом полное внутреннее отражение невозможно. Излучение в стенках капилляра поглощается, однако они могут быть сделаны тонкими, в результате чего потери можно уменьшить вплоть до 100 раз по сравнению с монолитным световодом, имеющим диаметр, равный диаметру капилляра. Оптическое волокно можно изготовить, заполняя кварцевый капилляр прозрачной жидкостью с подходящими свойствами, например тетрахлорэтиленом.

В некоторых случаях могут представлять интерес волоконные световоды, выполненные в виде тонкой кварцевой жилы, подвешенной внутри микрокапилляра. Роль светоотражающей оболочки в этом случае играет воздух, находящийся в пространстве между жилой и внутренней поверхностью капилляра, поэтому для изготовления капилляра можно использовать низкокачественное стекло. Форма сечения жилы может быть самой разной.

Введение в оптоэлектронику


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.