Физическая энциклопедия Том 4 - Порохов А.М.
Скачать (прямая ссылка):
Волоконные С. находят широкое применение в системах оптической связи, в датчиках разл. физ. полей, в вычислит, техиике, для канализации мощного лазерного излучения для медицинских и техно л. целей и т.д.
Характеристики волоконных световодов. Важнейшими характеристиками С., предназначенных для подобных применений, являются оптич. потери, дисперсия групповой скорости, оптич. нелинейность и механич. прочность. В 70-х гг. 20 в. созданы волоконные С. иа основе кварцевого стекла с затуханием сигнала ~1 дБ/км в ближней ИК-области спектра. Типичный спектр оптических потерь а в таких С. представлен на рис. 2, а. Минимально возможные потери составляют « 0,16 дБ/км на волне 1,55 мкм. Материалом для таких С. служит кварцевое стекло; различия показателей преломления сердцевины и оболочки достигают легированием стекла (иапр., фтором, германием, фосфором).
Др. важной характеристикой одномодовых волоконных С., широко применяемых в системах оптич. связи, является дисперсия групповой скорости. На рис. 2, б нредставлен спектр дисперсии С.
дБ/км
1 1,1 1,2 1.3 1,4 1,5 мкм
Рис. 2. Спектр оптических потерь (а) и дисперсии групповой скорости AVgjdX (произвольные единицы, б).
на основе кварцевого стекла. Видно, что кривая дисперсии проходит через 0 вблизи X « 1,3 мкм. Это означает, что именно в этой спектральной области информац. полоса пропускания одиомодовых волоконных С. на основе кварцевого стекла максимальна и составляет .
«IO11 Гц-км. 461
СВЕТОВОД
СВЕТОВОЕ
Изменением профиля показателя преломления волоконного С. можно сместить нуль дисперсии в область вблизи 1,55 мкм, где расположен абс. минимум оптич. потерь. Такие волоконные С. (со смещённой дисперсией) разработаны и находят большое применение в широкополосных системах дальней оптич. связи. Разработаны волоконные С. более сложной конструкции, иапр. многослойные С., в т. ч. с сильным дву-лучепреломлеиием. Одиомодовые С. последнего типа перспективны для применений, где необходимо сохранить поляризацию распространяющегося света.
Хотя стеклянные волоконные С. первоначально разрабатывались в качестве линейной передающей среды для систем оптич. связи, оказалось, что они являются перспективным нелинейным материалом. Оптическая нелинейность в стеклянных волоконных С. возникает в результате зависимости показателя преломления п от интенсивности лазерного излучения I: п = п() + п'I, где и0 — линейная часть показателя преломления при произвольно низких значениях интенсивности, не зависящая от интенсивности; пЧ — нелинейная добавка, п' — коэф., величина к-рого для кварцевого стекла равна 3,2-10^10 см2/Вт. Малая величина п' для кварцевого стекла показывает, что оио не является хорошим нелинейным материалом. Однако, когда стекло используется в виде волоконного С., нелинейность может иметь большой эффект, что связано с малым сечением сердцевины одномодового волоконного С. ~ IO-8 см2. Это означает, что при введении в С. лазерного излучения мощностью 1 Вт интенсивность / ~ 1 МВт/см2. Такая высокая интенсивность сохраняется на больших длинах С. вследствие его низких оптич. потерь, обеспечивая длину взаимодействия высокоинтенсивного излучения с веществом вплоть до неск. км. В результате в стеклянных волоконных С. эффективно протекают разнообразные нелинейные процессы при пороговых мощностях 1—10 мВт.
Наиб, интересным нелинейным эффектом, имеющим большое практич. значение, является солитонный режим распространения оптич. импульсов в волоконных С. в спектральной области отрицательной дисперсии групповой скорости (Я, > 1,3 мкм, рис. 2, б).
В идеальном С. без потерь оптический солшпон распространяется без кзменения своей формы. Поэтому солитоны перспективны как носители информации в широкополосных и протяжённых волоконно-оптич. системах связи. Разработаны лаб. солитоиные системы связи, к-рые, как полагают, могут использоваться в коммерч. сетях связи в нач. 21 в.
При практич. использовании волоконных С. важной их характеристикой является механическая
прочность. Теоретич. прочность на _____ разрыв нитей из кварцевого стекла состав-Sn___ляст 20 — 25 ГПа, макс.
прочность С. на основе кварцевого стекла, защищённых полимерной плёнкой, равна 5—6 ГПа. Прочность высо-кокачеств. волоконных С. зависит от поверх-постных дефектов стекла (трещин, раковин и т. д.), к-рые в присутствии влаги под действием приложенных , к С. напряжений уве-
5 6 7 8 9 10 12 15 18 GPa ЛИЧИВЭЮТСЯ, ДОСТИГЭЯ
уровня, при к-ром про-Рис. з. Функции распределения исходит разрушение С. прочности волоконных световодов Один ИЗ эффективных на основе кварцевого стекла с по- Ta „
/гл лимерными (а) и герметичными ме- способов повышения таллическими (б) покрытиями. прочности С.— ианесе-
иие на С. герметичных покрытий в процессе их изготовления. Нанесение металлнч. герметичных покрытий: позволило получить лаб. образцы С. с прочностью д» 12—15 ГПа. На рис. 3 приведены ф-ции распределения прочности волоконных С. с полимерными (а) и металлическими (б) покрытиями.
Изготовление н применение световодон. Волоконные С. 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 С» диам. « 100 мкм с одновременным нанесением на него защитно-упрочняющей оболочки.
