ВОЛОКО́ННАЯ О́ПТИКА

Рис. 1. Поперечное сечение волоконного световода с защитной оболочкой (заштрихована).

ВОЛОКО́ННАЯ О́ПТИКА, об­ласть нау­ки и тех­ни­ки, свя­зан­ная с ис­сле­до­ва­ни­ем рас­про­стра­не­ния оп­тич. из­лу­че­ния по во­ло­кон­ным све­то­во­дам (ВС), а так­же с их из­го­тов­ле­ни­ем и при­ме­не­ни­ем. Про­стей­ший ВС пред­став­ля­ет со­бой тон­кую нить из оп­ти­че­ски про­зрач­но­го ма­те­риала, серд­це­ви­на ко­то­рой ра­диу­са $а_1$ име­ет по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния $n_1$, а обо­лоч­ка ра­диу­са $а_2$ име­ет по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния $n_2 < n1$ (рис. 1). По­это­му лу­чи све­та, рас­про­стра­няю­щие­ся под дос­та­точ­но ма­лы­ми уг­ла­ми к оси ВС, ис­пы­ты­ва­ют пол­ное внут­рен­нее от­ра­же­ние на по­верх­но­сти раз­де­ла серд­це­ви­ны и обо­лоч­ки и рас­про­стра­ня­ют­ся толь­ко по серд­це­ви­не. В за­ви­си­мо­сти от на­зна­че­ния ВС диа­метр серд­це­ви­ны ле­жит в об­лас­ти от не­сколь­ких мкм до не­сколь­ких мм, а диа­метр обо­лоч­ки – от де­сят­ков до ты­ся­чи мкм. При из­го­тов­ле­нии BC по­кры­ва­ют за­щит­ной обо­лоч­кой тол­щи­ной от не­сколь­ких мкм до де­сят­ков мкм обыч­но из по­ли­мер­но­го ма­те­риа­ла. Чис­ло ти­пов волн (мод), ко­то­рые мо­гут рас­про­стра­нять­ся по ВС при за­дан­ной дли­не вол­ны све­та $λ$ , оп­ре­де­ля­ет­ся па­ра­мет­ром

$V=(2πa_1/λ)(n_1-n_2)^{1/2}$; ес­ли $V < 2,4$, то

рас­про­стра­ня­ет­ся лишь од­на мо­да и ВС на­зы­ва­ет­ся од­но­мо­до­вым, ес­ли $V > 2,4$, то ВС мно­го­мо­до­вый. В ка­че­ст­ве ма­те­риа­ла ВС ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся разл. стёк­ла, по­ли­мер­ные ма­те­риа­лы, зна­чи­тель­но ре­же – кри­стал­ли­че­ские.

Рис. 2. Спектр оптических потерь одномодового стеклянного волоконного световода. Пик оптических потерь вблизи 1,4 мкм связан с поглощением гидроксильными группами ОН.

В. о. воз­ник­ла в 1950-х гг. То­гда из­го­тав­ли­ва­лись и при­ме­ня­лись стек­лян­ные ВС дли­ной не бо­лее 10 м, т. к. оп­тич. по­те­ри в них бы­ли вы­со­ки­ми, по­ряд­ка 1000 дБ/км. От­дель­ные ВС и во­ло­кон­ные жгу­ты при­ме­ня­лись в ме­ди­ци­не и тех­ни­ке для ос­ве­ще­ния труд­но­дос­туп­ных внутр. по­лос­тей и пе­ре­да­чи изо­бра­же­ний. В по­след­нем слу­чае при­ме­ня­лись жгу­ты с ре­гу­ляр­ной ук­лад­кой ВС. В. о. ста­ла бы­ст­ро раз­ви­вать­ся с по­яв­ле­ни­ем в 1960-х гг. ла­зе­ров и воз­ник­шей по­треб­но­стью в пе­ре­даю­щей сре­де для оп­тич. сис­тем свя­зи. Ис­сле­до­ва­ния ме­ха­низ­мов оп­тич. по­терь в стёк­лах и раз­ра­бот­ка тех­но­ло­гии стек­лян­ных ВС на ос­но­ве хи­мич. оса­ж­де­ния из га­зо­вой фа­зы при­ве­ли к по­яв­ле­нию ВС с пре­дель­но низ­ким уров­нем оп­тич. по­терь в ближ­ней ИК об­лас­ти спек­тра; ми­ним. по­те­ри со­ста­ви­ли ве­ли­чи­ну ок. 0,2 дБ/км в спек­траль­ной об­лас­ти вбли­зи 1,4 мкм (рис. 2). В ка­че­ст­ве ма­те­риа­ла для та­ких ВС ис­поль­зу­ет­ся вы­со­ко­чис­тое квар­це­вое стек­ло, в ко­то­рое мо­гут вво­дить­ся ок­си­ды $\ce{Ge, P, Al}$ и др. хи­мич. эле­мен­тов для уве­ли­че­ния по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния серд­це­ви­ны. По­слой­ное оса­ж­де­ние стек­ла в про­цес­се фор­ми­ро­ва­ния серд­це­ви­ны по­зво­ля­ет соз­да­вать не­об­хо­ди­мый про­филь по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния серд­це­ви­ны (за­ви­си­мость по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния от ра­диу­са), напр. сту­пен­ча­тый, тре­уголь­ный, па­ра­бо­ли­че­ский и др. Про­филь по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния оп­ре­де­ля­ет вол­но­вод­ные ха­рак­те­ри­сти­ки ВС, в ча­ст­но­сти спек­траль­ную за­ви­си­мость вол­но­вод­ной дис­пер­сии.

Соз­да­ние стек­лян­ных ВС с низ­ки­ми оп­тич. по­те­ря­ми при­ве­ло к бур­но­му раз­ви­тию во­ло­кон­но-оп­тич. свя­зи. Все кон­ти­нен­ты свя­за­ны под­вод­ны­ми во­ло­кон­но-оп­тич. ка­бе­ля­ми свя­зи. В нач. 21 в. ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся ком­мерч. во­ло­кон­но-оп­тич. сис­те­мы свя­зи со ско­ро­стью пе­ре­да­чи ин­фор­ма­ции по­ряд­ка 100 Гбит/с. Раз­ра­бо­та­ны экс­пе­рим. во­ло­кон­но-оп­тич. ли­нии свя­зи со ско­ро­стью пе­ре­да­чи ин­фор­ма­ции по­ряд­ка 10 Тбит/с. Ми­ро­вое про­из-во ВС со­став­ля­ет бо­лее 50 млн. км/год. Др. важ­ней­шее при­ме­не­ние ВС с низ­ки­ми по­те­ря­ми – соз­да­ние во­ло­кон­ных дат­чи­ков разл. фи­зич. па­ра­мет­ров и во­ло­кон­ных ла­зе­ров и оп­тич. уси­ли­те­лей.

Рис. 3. Дисперсия одномодовых волоконных световодов на основе кварцевого стекла. Сплошные кривые: 1 – материальная дисперсия кварцевого стекла, 2 и 3 – волноводная дисперсия волоконных све...

Важ­ней­шей ха­рак­те­ри­сти­кой ВС яв­ля­ет­ся ве­ли­чи­на оп­тич. по­терь, но для фи­зич. ис­сле­до­ва­ний очень важ­ны дис­пер­си­он­ные ха­рак­те­ри­сти­ки, фо­то­чув­ст­ви­тель­ность, не­ли­ней­ность и ме­ха­нич. проч­ность ВС. Час­тот­ная дис­пер­сия ВС при­во­дит к уши­ре­нию ко­рот­ко­го им­пуль­са при его рас­про­стра­не­нии по све­то­во­ду. Дис­пер­сия ВС из­ме­ря­ет­ся в пс/(нм6 км), т. е. еди­ни­цей из­ме­ре­ния яв­ля­ет­ся уши­ре­ние им­пуль­са в пс, от­не­сён­ное к еди­ни­це спек­траль­ной ши­ри­ны им­пуль­са и дли­не ВС в 1 км. Дис­пер­сия ВС оп­ре­де­ля­ет­ся дис­пер­си­ей ма­те­риа­ла, меж­модо­вой дис­пер­си­ей (разл. ско­ро­стью рас­про­стра­не­ния раз­ных мод в слу­чае мно­го­мо­до­во­го све­то­во­да), вол­но­вод­ной дис­пер­си­ей и по­ля­ри­за­ци­он­ной мо­до­вой дис­пер­си­ей. В од­но­мо­до­вом све­то­во­де с очень ма­лым дву­лу­че­пре­лом­ле­ни­ем дис­пер­сия яв­ля­ет­ся сум­мой ма­те­ри­аль­ной и вол­но­вод­ной. На рис. 3 пред­став­ле­ны спек­траль­ные за­ви­си­мо­сти (за­ви­си­мо­сти от дли­ны вол­ны) ма­те­ри­аль­ной дис­пер­сии квар­це­во­го стек­ла и вол­но­вод­ной дис­пер­сии ВС из это­го ма­те­риа­ла с разл. про­фи­ля­ми по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния серд­це­ви­ны. Вид­но, что дис­пер­сия ВС на ос­но­ве квар­це­во­го стек­ла име­ет как от­ри­ца­тель­ную ве­ли­чи­ну (нор­маль­ная дис­пер­сия), так и по­ло­жи­тель­ную (ано­маль­ная дис­пер­сия) и об­ра­ща­ет­ся в нуль на дли­не вол­ны, за­ви­ся­щей от про­фи­ля по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния.

Под фо­то­чув­ст­ви­тель­но­стью ВС по­ни­ма­ют из­ме­не­ние по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния стек­ла серд­це­ви­ны под дей­ст­ви­ем УФ-из­лу­че­ния оп­ре­де­лён­ных длин волн. За счёт из­ме­не­ния струк­ту­ры стек­ла под дей­ст­ви­ем УФ-из­лу­че­ния по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния из­ме­ня­ет­ся на 10^–5–10^–3 от ис­ход­ной ве­ли­чи­ны и ос­та­ёт­ся та­ким по­сле окон­ча­ния об­лу­че­ния. Фо­то­чув­ст­ви­тель­ность све­то­во­да по­зво­ля­ет за­пи­сы­вать в его серд­це­ви­не пе­рио­дич.

из­ме­не­ние по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния по дли­не све­то­во­да с пе­рио­дом от до­ли мкм до со­тен мкм, т. е. соз­да­вать оп­ре­де­лён­ное про­стран­ст­вен­ное рас­пре­де­ле­ние по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния, дру­ги­ми сло­ва­ми, – ре­шёт­ку по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния. Ре­шёт­ки по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния с пе­рио­дом $Λ$ по­ряд­ка дли­ны вол­ны из­лу­че­ния (т. н. брэг­гов­ские ре­шёт­ки) яв­ля­ют­ся рас­пре­де­лён­ным зер­ка­лом, от­ра­жаю­щим из­лу­че­ние с дли­ной вол­ны $λ=2nΛ$, где $n$– по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния серд­цеви­ны. Та­кие брэг­гов­ские ре­шёт­ки ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся в разл. во­ло­кон­но-оп­тических при­бо­рах и сис­те­мах в ка­че­ст­ве рас­пре­де­лён­ных от­ра­жа­те­лей, фильт­ров, дис­пер­си­он­ных эле­мен­тов и др. Обыч­но брэг­гов­ские ре­шёт­ки за­пи­сы­ва­ют­ся в ВС при ос­ве­ще­нии его бо­ко­вой по­верх­но­сти, ос­во­бо­ж­дён­ной от за­щит­но­го по­кры­тия, УФ-из­лу­че­ни­ем с пе­рио­ди­че­ской струк­ту­рой тём­ных и свет­лых по­лос. Ин­тер­фе­рен­ци­он­ная кар­ти­на соз­да­ёт­ся с по­мо­щью фа­зо­вой мас­ки, пред­став­ляю­щей со­бой ре­шёт­ку из про­зрач­но­го ди­элек­три­ка (квар­це­во­го стек­ла) с пе­рио­ди­че­ски из­ме­няю­щей­ся тол­щи­ной.

Не­ли­ней­ные свой­ст­ва стё­кол оп­ре­де­ля­ют­ся не­ли­ней­ной вос­при­им­чи­во­стью третье­го по­ряд­ка $χ^{(3)}$, по­сколь­ку не­ли­ней­ная вос­при­им­чи­вость вто­ро­го по­ряд­ка $χ^{(2)}=0$, т. к. стек­ло – изо­троп­ная сре­да. Эф­фек­тив­ность не­ли­ней­ных оп­тич. яв­ле­ний за­ви­сит от ве­ли­чин не­ли­ней­ных ко­эф­фи­ци­ен­тов сре­ды, дли­ны взаи­мо­дей­ст­вия ла­зер­но­го из­лу­че­ния со сре­дой и его ин­тен­сив­но­сти. Не­ли­ней­ные ко­эф­фи­ци­ен­ты (дей­ст­ви­тель­ная и мни­мая час­ти $χ^{(3)}$) в квар­це­вом стек­ле на 2–3 по­ряд­ка ни­же со­от­вет­ст­вую­щих ко­эф­фи­ци­ен­тов тра­ди­ци­он­ных не­ли­ней­ных ма­те­риа­лов. Од­на­ко стек­лян­ные ВС яв­ля­ют­ся пер­спек­тив­ной не­ли­ней­ной сре­дой в си­лу их уни­каль­ных свойств: 1) низ­кие оп­тич. по­те­ри по­зво­ля­ют на­блю­дать не­ли­ней­ные яв­ле­ния в ВС дли­ной до де­сят­ков км; 2) ма­лый диа­метр серд­це­ви­ны од­но­мо­до­вых ВС (3–10 мкм) обес­пе­чи­ва­ет вы­со­кую ин­тен­сив­ность ла­зер­но­го из­лу­че­ния на всей дли­не взаи­мо­дей­ст­вия при уме­рен­ных мощ­но­стях (напр., ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния в серд­це­ви­не од­но­мо­до­во­го ВС дос­ти­га­ет ве­ли­чи­ны по­ряд­ка 1 МВт/см² при мощ­но­сти из­лу­че­ния все­го 1 Вт); 3) дис­пер­сия из­ме­ня­ет знак в об­лас­ти их макс. про­зрач­но­сти. Эти свой­ст­ва ВС при­во­дят к вы­со­кой эф­фек­тив­но­сти не­ли­ней­ных оп­тич. яв­ле­ний, та­ких как брил­лю­энов­ское и ра­ма­нов­ское рас­сея­ние, че­ты­рёх­фо­тон­ное сме­ше­ние, фа­зо­вая са­мо­мо­ду­ля­ция и др., на­блю­дае­мых в ВС. Наи­бо­лее ин­те­рес­ное не­ли­ней­ное яв­ле­ние – ге­не­ра­ция и рас­про­стра­не­ние со­ли­то­нов оп­ти­че­ских в ВС в спек­траль­ной об­лас­ти ано­маль­ной дис­пер­сии. Оп­тич. со­ли­тон – это оп­тич. им­пульс оп­ре­де­лён­ной мощ­но­сти, рас­про­стра­няю­щий­ся по ВС без по­терь и без из­ме­не­ния фор­мы. Ис­сле­до­ва­ния оп­тич. со­ли­то­нов в ВС по­зво­ли­ли соз­дать со­ли­тон­ные во­ло­кон­но-оп­тич. сис­те­мы свя­зи с вы­со­кой ско­ро­стью пе­ре­да­чи ин­фор­ма­ции.

Ис­поль­зо­ва­ние ВС в ка­че­ст­ве пе­ре­даю­щей сре­ды в во­ло­кон­но-оп­тич. сис­те­мах свя­зи по­тре­бо­ва­ло их вы­со­кой ме­ха­нич. проч­но­сти. Тео­ре­тич. проч­ность квар­це­во­го стек­ла со­став­ля­ет при­мер­но 18–20 ГПа. Ре­аль­ная проч­ность вы­со­ко­ка­че­ст­вен­ных стек­лян­ных ВС зна­чи­тель­но ни­же из-за разл. ро­да де­фек­тов. По­ли­мер­ные ма­те­риа­лы, ис­поль­зуе­мые в ка­че­ст­ве за­щит­ных по­кры­тий ВС, не яв­ля­ют­ся гер­ме­тич­ны­ми, что оп­ре­де­ля­ет уро­вень проч­но­сти ВС на уров­не 6 ГПа. Эта проч­ность впол­не дос­та­точ­на для мн. прак­тич. при­ме­не­ний, в т. ч. для про­клад­ки под­вод­но­го во­ло­кон­но-оп­тич. ка­бе­ля свя­зи, с по­мо­щью ко­то­ро­го со­еди­не­ны все кон­ти­нен­ты. На­не­се­ние на ВС гер­ме­тич­ных по­кры­тий, в ча­ст­но­сти ме­тал­ли­че­ских, по­вы­ша­ет их проч­ность бо­лее чем в два раза.

Рис. 4. Сечение волоконного световода с воздушной сердцевиной радиуса rc и оболочкой, представляющей собой фотонный кристалл. Отношение диаметра d воздушных отверстий и расстояния Λ между ними ...

Рас­про­стра­не­ние све­та в ВС про­ис­хо­дит за счёт пол­но­го внутр. от­ра­же­ния на гра­ни­це серд­це­ви­на – обо­лоч­ка бла­го­да­ря бо­лее вы­со­ко­му по­ка­за­те­лю пре­лом­ле­ния серд­це­ви­ны, чем обо­лоч­ки. Од­на­ко су­ще­ст­ву­ет иной ме­ха­низм пол­но­го от­ра­же­ния све­та от обо­лоч­ки, ес­ли она яв­ля­ет­ся ди­элек­три­ком с пе­рио­дич. из­ме­не­ни­ем по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния, при этом пе­ри­од из­ме­не­ния $Λ$ срав­ним с дли­ной вол­ны $\lambda$  рас­про­стра­няю­ще­го­ся из­лу­че­ния. В та­кой сре­де мо­жет су­ще­ст­во­вать фо­тон­ная за­пре­щён­ная зо­на – оп­тич. ана­лог элек­трон­ной за­пре­щён­ной зо­ны в по­лу­про­вод­ни­ках. На­ли­чие фо­тон­ной за­пре­щён­ной зо­ны оз­на­ча­ет, что су­ще­ст­ву­ет об­ласть час­тот, на ко­то­рых оп­тич. из­лу­че­ние не мо­жет рас­про­стра­нять­ся в дан­ном ма­те­риа­ле в лю­бом на­прав­ле­нии, а пол­но­стью от­ра­жа­ет­ся от не­го и рас­про­стра­ня­ет­ся по воз­душ­ной серд­це­ви­не. Обо­лоч­ка из квар­це­во­го стек­ла с воз­душ­ной серд­цеви­ной яв­ля­ет­ся имен­но та­ким фо­тон­ным кри­стал­лом. На рис. 4 по­ка­за­но се­че­ние ВС с воз­душ­ной серд­це­ви­ной и обо­лоч­кой из квар­це­во­го стек­ла, со­дер­жа­ще­го струк­ту­ру воз­душ­ных от­вер­стий, рас­по­ло­жен­ных вдоль оси ВС. В нач. 21 в. соз­да­ны экс­пе­рим. об­раз­цы ВС с воз­душ­ной серд­це­ви­ной с ми­ним. оп­тич. по­те­ря­ми 1–10 дБ/км в ближ­ней ИК об­лас­ти спек­тра. Со­вер­шен­ст­во­ва­ние тех­но­ло­гии та­ких ВС по­зво­лит сни­зить оп­тич. по­те­ри до ве­ли­чи­ны ни­же уров­ня оп­тич. по­терь совр. стек­лян­ных ВС.