4.5.3. Оптические потери в световолокне

Для уменьшения оптических потерь и искажений сигнала сердцевина волоконного световода должна иметь цилиндрическую форму, диаметр ее должен быть строго выдержан, а поверхность раздела с оболочкой содержать как можно меньше дефектов. Однако в большинстве практических случаев ставятся, кроме того, жесткие условия на качество и чистоту материалов для самой сердцевины световолокна — прежде всего кварца и многокомпонентных стекол. Обнаружилось, что световолокна, входящие в жгуты и используемые для осмотра внутренних органов человека еще с 50-х годов, совершенно неприемлемы для передачи оптических сигналов на расстояния, превышающие сотни, а то и десятки метров. Затухание света, которое при длине жгута около 1 м составляло несколько децибел в видимой области спектра, потребовалось существенно ослабить.

Оптические потери в сердцевине волоконного световода обусловлены абсорбцией (поглощением) и рассеянием.

Значительные абсорбционные потери в видимой области спектра связаны с наличием в стекле или кварце примесей, главным образом железа, меди, хрома, никеля и др. Поглощение света этими примесями в виде относительно широких спектральных полос зависит не только от их концентрации, но и от зарядового состояния (двух- или трехзарядные ионы железа, одно- или двухзарядные ионы меди и т. п.), поэтому оптические потери световолокна зависят от технологического режима его изготовления.

В тщательно очищенном стекле (при содержании примеси менее 10-7 —10-9, т.е. в материале полупроводниковой чистоты) полосы поглощения примесного характера все же наблюдаются (рис. 4.13). Эти полосы приходятся на ближнюю инфракрасную область спектра (0,8—3 мкм) и связаны со следами воды (гидроксильных групп ОН). Если от влаги удается избавиться, остается поглощение света самой матрицей стекла (кварца). Такое поглощение резко усиливается по мере увеличения длины волны, начиная с λ≥1,5 мкм. Однако и в коротковолновой области светопотери также имеют место, но обусловлены уже другой причиной — рассеянием света на имеющихся в стекле или кварце пузырьках, кристаллических включениях и т. п. Если и эти факторы устранены, остается так называемое рэлеевское рассеяние, вызванное флуктуациями плотности или состава материала световода по объему. Характерная особенность рэлеевского рассеяния состоит в резкой зависимости потерь от длины (~λ-4). Для наиболее совершенных световодов спектральный ход потерь представляется в области λ≤1,2 мкм монотонно убывающей с увеличением λ зависимостью (рис. 4.13). Минимум потерь в кварцевых световодах, определяемых только фундаментальными механизмами, а не примесями и дефектами, приходится на спектральную область 1,2—1,7 мкм (в многокомпонентных германатных стеклах 1,6—4,5 мкм) и составляет несколько десятых долей децибел на километр. Известны материалы, подходящие для изготовления световолокон, с еще меньшими светопотерями в соответствующих спектральных областях. Среди них, в частности, бромистый и бромоиодистый таллий (5,5—5,6 мкм), фторидные стекла (2—4 мкм) с минимумом потерь 10-2— 10-3 дБ/км. Однако оптические потери в световолокнах, изготовленных из этих материалов, оказываются из-за несовершенства технологии на несколько порядков больше указанной величины.

Подпись: Рис. 4.13. Оптические потери в стеклянных воло¬кнах:
1 — рэлеевское рассеяние, 2— сверхчистое стекло, 3— стекло с повышенным содержа-нием  гидроксильных  групп

В качестве материала для изготовления световолокна применяют также различные полимеры, например полиметилкрилат (плексиглас), полистирол. Однако полимерные волокна (обычно многомодовые, диаметром несколько сотен микрометров, с большой апертурой) пригодны только для связи на небольшие расстояния, поскольку оптические потери в них составляют 102—103 дБ/км, причем минимум потерь приходится на область 0,5—0,7 мкм. Такие световолокна не могут использоваться при температурах выше 60—80° С. Их временная стабильность значительно ниже по сравнению со стеклянными световодами, которые могут служить десятки лет. Важнейшее достоинство полимерных волоконных световодов—простота изготовления и низкая стоимость.

Предложено несколько методов изготовления волоконных световодов. Принципиально наиболее простым представляется использование для изготовления двухслойного волокна тиглей с воронкообразным дном, вставленных друг в друга. Тигли изготовляют из высокочистого тугоплавкого материала (кварц, платина) и заполняют расплавленной стекломассой: внутренний —с большим показателем преломления, наружный—с меньшим (за счет легирования бором, фтором, германием, фосфором и другими элементами). Стекломасса вытекает из центрального круглого отверстия и охватывающего его кольцевого (сдвоенная концентрическая фильера), образуя тонкое двухслойное волокно. Метод двойного тигля пригоден для изготовления как стеклянных, так и полимерных волокон сколь угодно длинных отрезков.

Возможен способ получения световолокна, заключающийся в том, что стеклянный стержень выдерживают определенное время в соляном расплаве, в результате чего происходит ионный обмен между стержнем и расплавом и показатель преломления приповерхностного слоя стержня уменьшается. Затем один из концов заготовки расплавляют и заготовку постепенно вытягивают в тонкое волокно, разумеется, ограниченной, но все же большой длины (10—100 км) и покрывают защитным полимерным материалом. Более совершенно получение стеклянных световодов методом осаждения из паровой фазы, когда через кварцевую трубу, помещенную в печи, в потоке кислорода пропускают SiCl4 с добавкой ВСl4, в результате чего на внутренней стенке трубы осаждается слой боросиликатного стекла. Затем подачу ВС14 прекращают, чтобы осаждалось стекло, имеющее показатель преломления больший, чем боросиликатное. При температуре размягчения кварца силы поверхностного натяжения сжимают заготовку, трубка уменьшается в диаметре и «захлопывается». Полученный трехслойный стержень вытягивают в тонкое волокно с сердцевиной из чистого стекла, окруженной боросиликатной оболочкой, которая, в свою очередь, защищена слоем кварца, образовавшегося из исходной кварцевой трубы. Аналогично можно получить кварцевые волокна с добавками, содержащими фтор или же германий, фосфор, титан и другие элементы соответственно для уменьшения или увеличения показателя преломления. Парофазный метод позволяет достаточно хорошо контролировать режимы осаждения слоев, а использование чистых реагентов — получать световолокно с малыми оптическими потерями. Этот метод позволяет также по нужному закону плавно изменять показатель преломления осаждающихся слоев, что достигается изменением соотношения концентрации реагентов по соответствующей программе. Можно, в частности, получить селфок, у которого коэффициент преломления по радиусу изменяется по закону, близкому к оптимальному с точки зрения ослабления межмодовой дисперсии. Заготовку, с которой вытягивают волокно, можно изготовить, осаждая слои нужного состава не на внутреннюю поверхность трубы, а на поверхность кварцевого стержня.

Введение в оптоэлектронику


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