Электроника

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА. раздел оптоэлектроники, связанный с исследованием явлений, возникающих в волоконных световодах при распространении в них оптич. излучения. К В. о. относят также разработку методов создания волоконно-оптических элементов и систем, в к-рых эти явления используются для направленной передачи световой энергии и информац. сигналов.
В. о. начала формироваться как свмостоят. направление науки и техники в 50-х гг. 20 в. В качестве первых волокон-но-оптич. элементов использовались волоконные световоды, изготовленные из стекла. В таких световодах, вследствие значит, поглощения оптич. излучения содержащимися в стекле примесями, коэф. пропускания в видимой области спектра составлял 30—70% на длине И м. Эти световоды и выполненные на их основе волоконно-оптич. жгуты нашли широкое применение в техн. и медицинской эндоскопии как для освещения труднодоступных объектов, так и для передачи изображений.
Дальнейшее развитие В. о- связано с созданием в 70-е гг. волоконных световодов на основе кварцевого стекла, с оптич. потерями — 1 дБ/км (2,303* 10~* см~') в ближнем ИК диапазоне (при этом коэф. пропускания составляет ок. 50% на длине световода в неск. км). Важнейшие области применения таких световодов — системы дальней оптич. связи, передачи телеметрич. информации, сети ЭВМ, бортовые системы связи, а также датчики разл. физ- полей (магн., гравитац., темп-рного и др.).
Волоконный световод в простейшем случае представляет собой гибкую нить (волокно) с сердцевиной из высокопрозрачного диэлектрике, окружённой оболочкой с показателем преломления, меньшим, чем у сердцевины. Направленная передача световой энергии в нём происходит вследствие явления полного внутр. отражения света на границе между сердцевиной и оболочкой. Характер прохождения оптич. излучения зависит от поперечных размеров световода и распределения величины показателя преломления по его сечению. Так, число типов оптич. колебаний (мод колебаний), к-рые могут распространяться в волоконном световоде, пропорционально квадрату диаметра его сердцевины и разности между показателями преломления сердцевины и оболочки. Уменьшая произведение этих величин, можно получить световод, а к-ром возможно распространенна только одной моды колебаний (одномодовый световод). К 60-м гг. наибольшее распространение получили многомодовые ступенчатые (ступенчатое изменение показателя преломления по сечению), многомодовые градиентные (плавное изменение показателя преломления по сечению) и одномодовые волоконные световоды. В одномодовых световодах диаметр сердцевины обычно лежит в пределах от 5 до 10 мкм (для ближнего ИК диапазона), в многомодовых —- от неск. десятов до неск. сотен мкм. Разность показателей преломления материалов сердцевины и оболочки, как правило, составляет десятые доли процента — для одномодоаых и I—2%—для многомодовых световодов. Полный дивметр волоконных световодов 0,1 —1  мм.
Распространение света по волоконному световоду сопровождается разл. оптич. явлениями. К важнейшим из них относятся: эвтухание оптич. сигнала, уширение коротких импульсов света, разл. нелинейные процессы. Затухание оптич. сигнале связано прежде всего с поглощением а УФ области спектрв (обусловленным электронными переходами), решёточным поглощением в ИК области (возбуждения колебат. степеней свободы) и рэлеевским рассеянием (рассеянием на «замороженных» флуктувциях плотности и неоднородное!ях состава стекла). Наилучшими характеристиками (по величине оптич. потерь, дисперсии, меквнич. прочности, радиац. стойкости и др.) обладают волоконные световоды, выполненные нв основе кварцевого стекла, к-рое для повышения показателя преломления обычно легируется германием и фосфором, в для понижения — бором и фтором. В таких световодах величине оптич. потерь составляет 2—3 дБ/км в спектральной области 0,8—0,9 мкм и менее 1 дБ/км — а области 1—1,5 мкм. Достигнутый минимум оптич. потерь рввен 0,154 дБ/км нв длине   волны   1,55   мкм   и   близок   к   теоретич.   пределу.
При распространении по волоконному световоду оптич. импульсы уширяются, что приводит к их взаимному перекрытию, ограничивающему информац. полосу пропускания световода. Уширение оптич. импульсов обусловлено меж-модовой дисперсией (связанной с различием групповых скоростей разных мод), материальной дисперсией (вызванной зависимостью показателя преломления материала световода от длины волны оптич. излучения) и вол ново дной дисперсией (связанной с зависимостью групповой скорости моды от длины волны). В ступенчатых многомодовых световодах межмодовая дисперсия обычно ограничивает полосу пропускания до неск. десятков МГц-км. В градиентных световодах выбор оптим. профиля показателя преломления позволяет получить полосу пропускания 700—1000 МГц*км и более. В одномодовых световодах полоса пропускания определяется в основном материальной дисперсией и достигает 100 ГГц-км.
Мвлый диаметр сердцевины и низкие оптич. потери волоконных световодов позволяют поддерживать высокую интенсивность оптич. излучения (-~10 Вт/см') на длина световода более 1 км. При этом в волоконном световоде проявляются разл. нелинейные эффекты (вынужденное рассеяние света, четырёх фотонные параметрич. процессы и др.). Твк, вынужденное комбинац. рассеяние (ВКР) наблюдается в световода при мощности накачки порядка сотен мВт На основе ВКР созданы перестраиваемые волоконные рамвноаские генераторы когерентного излучения в ближней ИК области (с перестройкой частоты ~300 см—'). Вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна проявляется при мощности накачки 10—20 мВт; с помощью этого эффекта осуществляется обращение волнового фронте, к-рое широко используется для повышения пространств, когерентности излучения. К нелинейным явлениям относится также самомодуляция световых импульсов, к-рая в области аномальной дисперсии материала световода позволяет получать сверхкороткие импульсы света (длительностью ~-10~ с). Такие импульсы используются для исследования сверхбыстрых (субпикосекундных) процессов в в-ве. Возможна также реализация т. н. солитонного режима прохождения светового импульса, когда при распространении по волоконному световоду импульс либо не изменяет своей формы, либо изменяет её периодически. Реализация такого режима позволит существенно повысить ширину полосы пропускания волоконно-оптич. систем.
Технология изготовления волоконных световодов из кварцевого стекла основана нв хим. осаждении материала световода из газовой фазы. В качестве исходного а-ва применяются чистые летучие гвлиды (хлориды германия, кремния и др.)| а также активные (кислород и водород) и инертные (аргон, гелий и др.) газы.  Метод изготовления
заключается в термич. или плазменном окислении хлоридов с последующим осаждением твёрдой фазы либо на внутр. поверхности кварцевой трубки (метод хим. осаждения внутри трубки), либо на внеш. боковой (метод виеш. осаждения) или торцевой (метод аксиального осаждения) поверхности т. н. затравочного кварцевого стержня. После проплавления опорной трубки с нанесёнными (осаждёнными) слоями или пористой заготовки, состоящей из спечённой массы сажеподобных частичек кварцевого стекла, получают сплошной стеклянный стержень (заготовку), имеющий волноводную структуру — сердцевину, окруженную оболочкой с меньшим показателем преломления. Из такого стержня, полученного осаждением внутри трубки, имеющего диаметр 10—20 мм и длину I м, вытягивают (при нвгреввнии) волоконный световод длиной '-НО км с внеш. диаметром обычно 125 мкм и диаметром сердцевины 50 мкм. Методом аксиального осаждения получают заготовки, из к-рых вытягивают волоконные световоды длиной   -Н00 км с диаметром 125 мкм.
С сер. 60-х гг. получили распространение кварцполи-мерные волоконные световоды, в к-рых сердцевина выполняется из чистого кварцевого стекла, а оболочка — из силиконовой резины (прозрачного кремнийорганич. полимера). Оптич. потери в таких световодах больше (по сравнению со стеклянными) и составляют неск. дБ/км, что обусловлено значит, потерями в оболочке. Созданы также полимерные волоконные световоды. Напр., в световодах на основе полиметилметвкрилата и полистирина оптич. потери в видимой области спектра составляют неск. десятков дБ/км. Такие световоды предназначены для использования а оптич. линиях связи, рассчитанных нв небольшие расстояния, что обусловлено их высокой гибкостью, возможностью быстрого и надёжного соединения друг с другом и с источниками оптич. излучения, а также малой массой и низкой стоимостью. В настоящее время (нач. 90-х гг.) разрабатываются волоконные световоды среднего ИК диапазона (длина волны 2—15 мкм), предназначенные для передачи информации, а также мощного лазерного излучения. Для создания таких световодов используются хвлькогенидные стекла (напр., AsjSe(), флюоридные стёклв (нвпр., фториды циркония, бария, лантвнв и алюминия с добавками щелочных металлов), галоген иды таллия и серебра. В таких световодах величине оптич. потерь предполагается на I—2 порядка ниже, чем в волоконных световодах нв основе кварцевого стекла. Однако теоретич. предел пока не достигнут. Так, оптич. потери в световодах на основе флюоридных стёкол составляют -*-1 дБ/км (на длине волны 2,55 мкм), халькогенидных стёкол — 60 дБ/км (на длине волны 5,5 мкм) и в поликрист. световодах из кристаллов КРС-5 (TIBrl) — 400 дБ/км (на длине волны 10,6 мкм). Поликрист. световоды широко используются для передачи мощного (до 15 Вт) оптич. излучения СО и СО.» лазеров на расстояние "-1 м.
В 60-х гг. широкое применение нашли волоконно-оптические линии связи протяжённостью в десятки и сотни км, волоконно-оптические датчики разл. физ. величин, в также др. волокон но-оптич. элементы, что обусловлено гл. обр. невосприимчивостью волоконных световодов к эл.-магн. помехам, их значит, полосой пропускания, малыми габаритными размерами и массой. Осн. сферы применения таких систем —- телефонная связь, кабельное телевидение, вычислит, техника, системы контроля и управления техно-логич. процессами.