Академік РАН Е.М.ДІАНОВ [email protected].
А.С.КУРКОВ [email protected],
НЦВО РАН, м.Москва
Волоконна оптика є відносно молодою галуззю науки і техніки, і її визначення не можна вважати усталеним. Проте ми спробуємо його дати.
Структура волоконного світловода
Це галузь науки і техніки, яка займається вивченням явищ, що виникають при поширенні світла в волоконних световодах; застосуванням волоконних світловодів та технологією їх виготовлення. Волоконний світловод - це довга тонка нитка, як правило, зі скла, що має складну внутрішню структуру. У найпростішому випадку світловод складається з серцевини з показником заломлення n1. оболонки з показником заломлення n2 (при цьому n1> n2) і захисного покриття. Серцевина і оболонка утворюють хвилевідну структуру, що забезпечує поширення випромінювання, а зовнішнє покриття (полімерне, металеве і ін.) Оберігає світловод від зовнішніх впливів.
Явище повного внутрішнього відображення
Поширення світла в волоконних световодах засноване на явищі повного внутрішнього відображення. Це явище спостерігається при переході випромінювання з середовища з великим показником заломлення (n1) в середу з меншим показником (n2). При кутах падіння менше критичного кута с. де с - кут між напрямком поширення променя і нормаллю до поверхні розділу середовищ, відбувається заломлення променя відповідно до закону Снеллиуса (промінь 1). При кутах падіння> з спостерігається повне внутрішнє віддзеркалення (промені 2 і 3). Критичний кут з визначається співвідношенням sin з = n2 / n1.
Таким чином, якщо середу з підвищеним показником заломлення на досить великій відстані оточити середовищем з меншим показником заломлення, можна забезпечити волноводное поширення світла за рахунок явища повного внутрішнього відображення.
Перша демонстрація волноводного поширення світла пов'язана з ім'ям англійського вченого Дж.Тіндаля (1820-1893 рр.), Який спостерігав таке поширення в струмені води. При цьому повне внутрішнє віддзеркалення забезпечувалося тим, що вода має показник заломлення вищий (1,33), ніж повітря (1). Слід зазначити, що в даний час існує премія Тиндаля, що присуджується за видатні досягнення в області волоконної оптики.
До основних параметрів волоконного світловода відносяться діаметр серцевини 2a. діаметр оболонки 2b. числова апертура NA. оптичні втрати, довжина L. В залежності від типу волоконного світловода діаметр серд-цевіни може становити від 1 до 100 мкм, діаметр оболонки - від 100 до 1000 мкм. Для світловодів, використовуваних в оптичних лініях зв'язку, діаметр серцевини близько 10 мкм, оболонки - 125 мкм.
Поняття числової апертури пов'язано з максимальним кутом c між променем, введеним в світловод, і віссю світловода, коли випромінювання «захоплюється» хвилеводної структурою (c = 90 ° - с): Промені, введені в світловод під кутами більше c. не відчувають повного внутрішнього відображення, а переломлюються і випливають. На виході волоконного світловода випромінювання також зосереджено в конусі з половинним кутом c.
Оптичні втрати, або поглинання, зазвичай виражаються в см -1. Однак в стандартних волоконних световодах втрати малі і зазвичай виражаються в дБ / км. При цьому справедливо співвідношення: 1 см -1 = 4,3 • 10 5 дБ / км. Довжина L окремих відрізків світловода може становити кілька десятків кілометрів. Хвилеводні властивості волоконного світловода залежать не тільки від його параметрів, а й від довжини хвилі поширюється випромінювання. Щоб врахувати цей фактор, вводиться нормована частота
V = 2a • NA /. Значення нормованої частоти, зокрема, визначає модовий склад випромінювання в світловод. З формальної точки зору, мода - це стійкий стан електромагнітного поля всередині світловоду, одне з рішень рівнянь Максвелла для заданої структури. Умовно моду світловода можна визначити і як траєкторію поширення світла. якщо V <2,4, то в световоде распространяется лишь одна мода. Световоды, в которых реализуется такой режим в ближней ИК-области, определяются как одномодовые. При V> 2,4 з'являються моди вищих порядків. Число мод при великому значенні нормованої частоти порядку V 2/2. Поняття «Одномодовий» має дещо умовний характер, тому що при зменшенні довжини хвилі випромінювання одномодовий світловод стає багатомодовим.
На першому етапі свого розвитку (до початку 70-х рр. XX ст.) Волоконна оптика займалася розробкою волоконних світловодів для підсвічування важкодоступних об'єктів, передачі зображення, ендоскопії. Вони мали великі оптичні втрати, порядку 1-10 дБ / м, тому довжина використовуваних світловодів не перевищувала декількох метрів. Тобто волоконна оптика займала свою, досить обмежену нішу, і її розвиток можна було визначити як уповільнене. Ситуація почала змінюватися в 60-х рр. XX ст. після появи лазерів. За це видатне відкриття в 1964 р було присуджено Нобелівську премію американському вченому Ч.Таунсу (США) і нашим співвітчизникам Н.Г.Басову і А.М.Прохорову. Саме винахід лазерів зумовило нові застосування волоконних світловодів, найважливішим з яких є передача оптичних сигналів на великі відстані, або створення оптичних ліній зв'язку.
Слід зазначити, що історія людства - це і історія розвитку засобів зв'язку, від сигнальних багать до супутників зв'язку і трансокеанських оптичних кабелів. Важливою віхою в цій історії було винахід братами Шапп оптичного телеграфу в 1794 р Оптичний телеграф був ланцюжок веж на дистанції прямої видимості між французькими містами Париж і Лілль, відстань між якими
225 км. Кодування інформації здійснювалася шляхом певних положень набору важелів, швидкість передачі становила близько п'ятдесяти знаків на годину. У 1839 р була побудована найдовша (1200 км) лінія оптичного телеграфу Петербург-Варшава.
Слід зазначити, що розвиток радіозв'язку супроводжувалося освоєнням все більш високих частот електромагнітного випромінювання, або укороченням довжин хвиль. Це пов'язано з тим, що, чим вище частота випромінювання, що переносить інформацію (несуча частота), тим з більшою частотою її можна модулювати інформаційними сигналами. Значить, підвищується швидкість передачі інформації. Якщо для перших радіопередач використовувалися довжини хвиль в сотні і тисячі метрів, то при переході в УКХ-діапазон довжина хвилі склала метри. Використання металевих хвилеводів і коаксіальних кабелів дозволило перейти в міліметровий діапазон. Довжина хвилі випромінювання в оптичному діапазоні близько 1 мкм (0,001 мм), а значить, швидкість передачі інформації може бути більше на три порядки, ніж в коаксіальних кабельних лініях. Саме тому поява лазерів відразу викликало інтерес в плані їх застосування в лініях зв'язку.
На початку 60-х рр. XX ст. були проведені експерименти по оптичного зв'язку через атмосферу з використанням лазера в якості передавача сигналу. При цьому проявилися складності такого способу. Атмосфера є неоднорідною за оптичної щільності через нерівномірне нагрівання, що призводить до додаткової розбіжність і викривлення лазерного променя. Такі атмосферні явища, як туман і опади, практично переривають лазерний промінь, так само, як і птиці, і комахи, які потрапляють на оптичну трасу. Як одне з можливих рішень було запропоновано використовувати лінзові лінії. Такі лінії представляли собою трубопроводи з системою лінз і дзеркал. Світло поширювався всередині труби, що захищає лінію від зовнішніх впливів, лінзи використовувалися для корекції лазерного пучка, «подфокусіровкі», дзеркала - для його повороту. Зрозуміло, що така система є громіздкою, складною і ненадійною. Будь-які деформації труби вимагають перенастроювання оптичної системи. Тому природним став інтерес до волоконних світловодів як середовищі для передачі оптичного сигналу.
У 1966 р американські вчені Као та Хокхем показали, що загасання 1000 дБ / км і більш не є фундаментальним властивістю волоконних світловодів на основі кварцового скла, а обумовлено наявністю в ньому домішок. При очищенні скла від цих домішок можна отримати загасання менше 20 дБ / км. Головним питанням стала розробка технології отримання таких світловодів. Однією з перших була застосована технологія «штабик-трубка». У скляну трубку вставляється стрижень (штабик) зі скла з більш високим показником заломлення, потім збірка простягається в нитку. При цьому трубка і штабик «варяться» за традиційними технологіями. Дуже швидко з'ясувалося, що ці традиційні технології не можуть забезпечити необхідну чистоту скла. Тому були розроблені технології, засновані на осадженні з газової фази. За вихідні реагенти були взяті хлориди (наприклад, хлорид кремнію SiCl4. Хлорид германію GeCl4 і ін.), Здатні піддаватися високої очищення. При підвищеній температурі ці сполуки в атмосфері кисню окислюються з утворенням склоподібних оксидів, наприклад, по реакції SiCl4 + O2 = SiO2 + 2Cl2.
На малюнку показана схема однієї з поширених технологій - модифікованого хімічного осадження з газової фази (MCVD-процес), - коли окислення проводиться всередині опорної труби з кварцового скла: оксиди кремнію, германію та інших компонентів осідають на внутрішній поверхні труби. Після закінчення процесу трубу з обложеними шарами додатково нагрівають, і вона схлопивается в скляний стрижень, виходить так звана заготовка.
Наступний важливий технологічний етап - витяжка з заготовки волоконного світловода, для чого використовуються спеціальні витяжні башти. Схема витяжки представлена на малюнку. Заготівля поміщається в нагрівач і безперервно просувається в гарячу зону в міру витяжки світловода, діаметр якого контролюється спеціальними пристроями і регулюється зміною температури нагрівача. По дорозі до приймального барабану на світловод наноситься зовнішнє покриття. Як правило, воно полімерне, але для спеціальних застосувань може наноситися металеве або вуглецеве. Від якості витяжки залежить такий параметр світловода, як міцність. Стандартні волоконні світловоди здатні витримувати навантаження до 5 кг.
У 1970 р в компанії «Корнінг-Гласс» (США) таким шляхом були виготовлені світлопроводи з оптичними втратами 20 дБ / км. Протягом наступних десяти років рівень оптичних втрат знизився більш ніж в 100 разів, і досяг фундаментального межі 0,16 дБ / км на довжині хвилі 1,55 мкм. Це відповідає ослаблення світла в 2 рази на відстані 18 км.
Такі досягнення в області технології дали поштовх бурхливому зростанню нового напрямку телекомунікацій - волоконно-оптичних ліній зв'язку. У лініях зв'язку першого покоління для передачі сигналу використовувався світло на одній довжині хвилі, що випромінюється напівпровідникових лазером. На відстані, відповідному ослаблення сигналу приблизно в 100 разів, в лінію вставлявся ретранслятор, що складається з фотоприймача, електронного підсилювача і напівпровідникового випромінювача, що відтворює первісний оптичний сигнал. Перехід на робочу довжину хвилі 1,55 мкм і розробка квантових волоконних підсилювачів на основі світловодів, легованих іонами ербію, дозволили спростити схему передавального тракту і довести швидкість передачі інформації до 40 Гбіт / с.
Подальші дослідження показали, що по одному і тому ж световоду можлива передача інформації на багатьох довжинах хвиль, так зване спектральне ущільнення каналів. Волоконна лінія стала включати в себе пристрій для об'єднання випромінювань різних лазерів (мультиплексор) і пристрій для їх роз'єднання (демультиплексор) і подачі на різні фотоприймачі. Це дозволило збільшити швидкість передачі інформації по одному световоду до 1-10 Тбит / с.
У міру розвитку волоконної оптики з'явилися застосування, не пов'язані безпосередньо з передачею інформації. Одним з таких застосувань є фотоіндуковані бреггівськими решітки. Їх отримання засноване на властивості кварцового скла з добавками різних елементів змінювати показник заломлення під впливом УФ-опромінення через бічну поверхню. Причому ці зміни «заморожуються» в склі і залишаються після зняття опромінення. Якщо створити періодичну зміну показника заломлення на відрізку світловода довжиною близько 1. 10 мм, то відповідно до співвідношення Б = 2n буде спостерігатися відображення випромінювання у вузькому (0,1. 1 нм) спектральному інтервалі (тут Б - довжина хвилі відображення, - період решітки). Для робочого діапазону довжин хвиль період решітки становить близько 0,5 мкм. Тому для запису решітки зазвичай використовуються інтерференційні методи, коли на бічній поверхні світловода складаються два пучка від лазера, що випромінює в УФ-частині спектру.
Бреггівськими волоконні решітки
Одним із застосувань брегговскіх волоконних решіток є їх використання в якості чутливого елемента волоконно-оптичних датчиків фізичних величин. Це застосування засноване на зміні довжини хвилі відображення решітки при зміні температури навколишнього середовища, а також під впливом механічної напруги і деформації світловода. Також решітки можуть використовуватися в якості вузькосмугових спектральних фільтрів. Але ще більш широке поширення ці елементи знаходять в волоконних лазерах в якості дзеркал, які формують резонатор.
Одним з найяскравіших досягнень волоконної оптики є розробка і створення волоконних лазерів. У звичайному лазері в якості активного середовища використовується кристал або скло, леговане іонами елемента, який люминесцирует при оптичному збудженні. В якості таких елементів найбільшого поширення набули рідкоземельні метали - неодим, иттербий, ербій і ін. Для оптичного збудження застосовуються потужні лампи або напівпровідникові випромінювачі. Для отримання генерації активний елемент поміщається в резонатор, утворений двома дзеркалами - глухим і напівпрозорим, - через яке виходить випромінювання. Такі лазери вимагають юстування дзеркал і їх жорсткої фіксації. Крім того, існують проблеми, пов'язані з нагріванням активного середовища.
Таким чином, можна зробити висновок, що завдяки створенню волоконно-оптичних систем зв'язку вперше в історії людства технічні можливості обміну інформацією перевищили (в даний час) потреби людського суспільства. На базі бурхливого розвитку волоконної оптики виникли нові напрямки - волоконні лазери, волоконно-оптичні датчики, медичні застосування волоконних світловодів та ін. Волоконна оптика є молодий галуззю науки. Розвиток цієї галузі дозволить здійснити подальший прорив як в області передачі інформації, так і в інших областях людської діяльності.