4.5.1. Ступенчатые волоконные световоды

4.5.2. Градиентные и другие типы световодов

4.5.3. Оптические потери в световолокне

4.5.1. Ступенчатые волоконные световоды

Подобно плоским диэлектрическим волноводам в интегрально-оптических схемах, волоконные световоды различной длины применяют для направленной передачи оптического излучения, которое вводят через торцевой (обычно плоский) конец световолокна. В простейшем случае оптическое волокно представляет собой тонкую нить круглого сечения из прозрачного в нужной спектральной области материала (стекло, кварц, различные полимеры). Канализация света в нем основывается на явлении полного внутреннего отражения. Как в прямолинейном, так и в изогнутом волоконном световоде канализированные волны можно наглядно представить лучами, распространяющимися зигзагообразно, под углами к его оси и каждый раз испытывающими полное внутреннее отражение на поверхности раздела. Разумеется, для этого необходимо, чтобы коэффициент преломления материала световода был обязательно больше коэффициента преломления окружающей его среды.

Пучок света, испытывая полное внутреннее отражение и распространяясь в однородной прозрачной нити, в идеальном случае не должен терять энергию, т. е. постепенно затухать. Однако практически потери все же происходят. Учитывая большую длину волокна (в отличие от плоского волновода в интегрально-оптических схемах), они могут оказаться значительными. Как будет показано ниже, заметная часть потерь приходится прежде всего на рассеяние света на поверхности волокна, т. е. происходящие в световолокне процессы подвержены влиянию окружающей среды и внешних воздействий. Это, а также низкая механическая прочность делают тонкую прозрачную нить непригодной для непосредственного применения в качестве световода.

Положение радикально изменяется при переходе к двухслойному световоду, представляющему собой световедущую сердцевину (жилу), покрытую оболочкой из материала, показатель п₀ которого меньше, чем жилы п_в. Как и в интегрально-оптическом волноводе, при полном внутреннем отражении световая волна несколько проникает в оболочку, поэтому, для того чтобы волна не затухала, в соответствующей области спектра оболочка должна быть прозрачной. Необходимо также обеспечить высокое совершенство границы раздела между сердцевиной и оболочкой. Если толщина оболочки превышает несколько длин волн света, интенсивность световой волны, достигающей внешней поверхности оболочки, оказывается пренебрежимо малой. Поэтому на процесс распространения канализируемых в сердцевине волн состояние поверхности оболочки практически не влияет. Световод со ступенчатым профилем коэффициента преломления можно покрыть еще одной защитной, упрочняющей, например полимерной, оболочкой, снабдить армирующими элементами, обеспечивающими необходимую механическую прочность и стойкость к воздействиям окружающей среды, т. е. превратить волоконный световод в оптический кабель, пригодный для практического использования. Оптический кабель может содержать как один, так и множество световодов, включать в себя, кроме того, электрические провода для обеспечения питания, например, удаленных электронных устройств.

В волоконном световоде лучи испытывают полное внутреннее отражение от цилиндрической поверхности сердцевины. Угол падения луча на эту поверхность (отсчитываемый, как и ранее, от нормали к ней) зависит от направления луча, падающего на входной торец световода. Канализируются только те лучи, которые ограничены конической поверхностью, образующей с осью световода угол θ_а, определяемый выражением, аналогичным числовой апертуре плоского волновода (4.5), но с заменой п_п на п₀- Числовая апертура — важная характеристика волоконного световода. Лучи, падающие на торец световода под углом, выходящим за пределы θ_а, не испытывают полного внутреннего отражения от поверхности сердцевины, преломляются в оболочке и могут приводить к нежелательным паразитным связям, например, между световодами в многожильных кабелях. Для их устранения желательно, чтобы вторая защитная оболочка была светопоглощающей.

Диаметр сердцевины волоконного световода может в зависимости от его назначения составлять от нескольких микрометров до нескольких сотен микрометров, а толщина оболочки — от нескольких десятков микрометров вплоть до миллиметра (один из стандартных диаметров оболочки — 125 мкм). Когда диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны света, по световолокну, как и по плоскому волноводу, может распространяться только дискретная совокупность волн. Им соответствуют различные углы падения лучей на поверхность раздела сердцевина — оболочка, а это, в свою очередь, приводит к различной длине пути, которые проходят лучи (рис. 4.12, а). В результате передаваемый по световоду сигнал искажается. Если на вход световода подать короткий световой импульс (например, при использовании ИКМ), то при достаточно большой длине может случиться, что на выходе импульсы, переносимые разными модами, окажутся разделенными по времени, т. е. на выходе вместо одного импульса появится серия импульсов. Если входной импульс удлинять, то серия импульсов на выходе в конце концов сольется в один импульс увеличенной длительности. По этой причине нельзя беспредельно увеличивать частоту модуляции распространяющегося по волноводу сигнала: период модуляции, по-видимому, должен превышать разницу времени прохождения световода отдельными модами. Разница во времени прохождения отрезка световолокна длиной l для осевого луча и наиболее отклоненного луча (когда еще возможно полное внутреннее отражение) примерно составляет

, (4.22)

где с—скорость света в вакууме. Время Δt для l = 1 км и типичного значения Δп = 1·10^-2 составляет несколько десятков наносекунд, что соответствует предельной частоте модуляции несколько десятков мегагерц (верхняя граничная частота, выраженная в герцах, по величине приближенно равна скорости передачи информации в битах в секунду). Принято говорить, что такие искажения сигнала (не связанные с немонохроматичностью света!) обусловлены межмодовой (модовой) дисперсией.

Волоконный оптический волновод может работать и в одномодовом режиме. Для этого нужно, чтобы выполнялось условие, аналогичное (4.15) для плоского волновода (под h_кр в таком случае нужно подразумевать диаметр сердцевины волокна). Таким образом, для одномодового режима диаметр световолокна и различие показателей преломления Δп = n_в — п₀ должны быть достаточно малыми.

В одномодовых световодах межмодовая дисперсия как таковая не проявляется. Качественная передача сигнала в этом случае все же ограничена тем, что используемое излучение не может быть строго монохроматическим, а занимает конечный спектральный интервал. Из-за этого возникает материальная дисперсия, обусловленная зависимостью показателя преломления сердцевины п_в, а значит, и скорости распространения от длины волны света. Если принять, что ширина спектральной полосы полупроводникового лазера составляет несколько нанометров, а световода — несколько десятков нанометров, то различие во времени прохождения пути длиной 1 км для граничных длин волн полосы излучения составит по порядку величины 1·10^-10 с, т. е. предельные частоты модуляции сигнала равны 1·10¹⁰ и 1·10⁹ Гц.

Возможны также другие виды дисперсии, проявляющиеся в тех случаях, когда межмодовую и материальную дисперсии удается свести к минимуму. Рассмотрение на основе волновой теории показывает, что даже в одномодовом режиме скорость распространения света по волокну зависит от частоты независимо от материальной дисперсии. Этот вид дисперсии называют волноводной (внутримодовой). С практической точки зрения важно, что в определенном спектральном интервале материальная и волноводная дисперсии могут компенсировать друг друга. При этом может проявиться еще один вид дисперсии, обусловленный тем, что, например, из-за механических напряжений в волокне, отклонения формы сердцевины от цилиндрической световые волны со взаимно ортогональной поляризацией распространяются с различными скоростями. Такая дисперсия, называемая поляризационной, приводит к уширению светового сигнала на величину порядка 1·10^-11 с при длине волокна 1 км. Как следует из изложенного, для всех видов дисперсии уширение импульса пропорционально длине световолокна. Поэтому пропускную информационную способность приводят к единице длины световолокна, а полосу пропускания выражают в мегагерцах-километрах или гигагерцах-километрах.

Следует иметь в виду, что широкая полоса пропускания одномодового световода достигается ценой усложнения технологии изготовления и его эксплуатации. Эффективное введение энергии в одномодовый световод требует того, чтобы и источник излучения был одномодовым лазером (согласование со светодиодом получается плохим). К этому нужно также добавить, что числовая апертура одномодового волокна заметно меньше, чем многомодового: 0,1 и 0,2—0,3 соответственно.

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/n_в). Возникает возможность уравнять времена распространения лучей, падающих на торец световода под разными углами, задавая необходимый закон изменения п_в(х) (рис. 4.12,б). Как показывают расчеты, таким свойством обладает световедущее волокно, в котором п_в 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.

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.

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.