Фотоника и оптоинформатика

При изготовлении градиентных ОВ трудно, а порой невозможно получить необходимый профиль показателя преломления. Например, по технологическим причинам часто в центре сердцевины получается область с уменьшенным значением показателя преломления, а максимальное его значение находится вблизи периферии сердцевины. Такие ОВ получили название волокон с осевым провалом в профиле, или кольцевых.

Моды оболочки и излучения волоконного градиентного ВС (рис. 11.18), как и ступенчатого, образуются меридиональными и косыми лучами, покинувшими сердцевину, и подавляются защитным покрытием. Что касается направляемых мод, то здесь вместо полного внутреннего отражения на границе сердцевина – оболочка лучи плавно изгибаются в направлении градиента показателя преломления. По аналогии с (11.4) и (11.5) введем для градиентного ВС локальную числовую апертуру:

A(r ) = n0 sin θmax = n2 (r ) − n22 .

(11.8)

Рис. 11.18. Распространение лучей в градиентном волоконном световоде: 1 – моды сердцевины (направляемые моды); 2 – моды оболочки; 3 – моды излучения

Формула (11.8) показывает, что максимальный угол падения меридионального луча из свободного пространства на входной торец градиентного ВС, при котором он еще удерживается

291

сердцевиной, зависит от того, в какой точке сердцевины находится этот луч. Вблизи границы с оболочкой локальная числовая апертура стремится к нулю, а на оси световода достигает

максимального значения A = n12 − n22 , которое называется чи-

словой апертурой градиентного ВС.

При расчете эффективности ввода излучения в градиентный ВС удобно рассматривать этот световод как ступенчатый и характеризовать его эффективной числовой апертурой. Для ВС с параболическим профилем показателя преломления эффективная числовая апертура

A =	1	n2	− n2 .	(11.9)
эф	2	1	2

Определение числовой апертуры косых лучей градиентного ВС представляет еще более сложную задачу, чем в случае ступенчатого.

Сравнение по одинаковой эффективной апертуре показывает преимущество градиентного ВС по сравнению со ступенчатым, особенно ярко эти преимущества проявляются при передаче информации в многомодовом режиме.

На рис. 11.19 представлена сравнительная картина распространения света в различных световодах. В световоде со ступенчатым профилем показателя преломления свет распространяется, испытывая многократное полное отражение от границы раздела между сердцевиной и оболочкой световода (рис. 11.19, а). Распространяющийся свет содержит два типа мод: моду, которая распространяется почти вдоль оптической оси 1 и группу мод 2, которые распространяются под углом к оптической оси, многократно отражаясь от границы раздела. Эти моды имеют различную групповую скорость, поэтому, возбуждаясь одновременно на входе, они разделяются так, что на выходе между ними образуется временной сдвиг. Следовательно, при распространении короткого светового импульса в таком световоде ширина импульса

292

Рис. 11.19. Распространение света: а – в волоконном световоде со ступенчатым профилем показателя преломления; б – в градиентном световоде; в – в одномодовом световоде

возрастает. Межмодовая дисперсия практически отсутствует в градиентном световоде (рис. 11.19, б). В одномодовом световоде импульспередается без искажения (рис. 11.19, в).

11.3. Материалы для изготовления оптических волокон

В настоящее время ВС изготавливают главным образом из кварцевого стекла (волокна «кварц – кварц») и многокомпонентных стекол соответствующего состава (волокна «стекло – стекло»). В некоторых случаях применяют полимерные ОВ. Иногда сердцевину выполняют из кварцевого или многокомпонентного стек-

293

ла, а оболочку из полимера (например, волокна «кварц – полимер»). Из кварцевого стекла изготавливают ВС высокого качества. Достоинство его перед другими видами оптически прозрачных диэлектриков состоит в том, что он обладает наименьшими потерями на поглощение.

Для создания необходимой разности показателей преломления сердцевины и оболочки ОВ кварцевое стекло легируют соответствующими веществами, например оксидами германия, фосфора, бора и др. Так, для увеличения показателя преломления сердцевины двухслойного ОВ в состав SiO2 вводят такие легирующие добавки, как окислы GeO2, P2O5 и TiO2.

Требуемую разность показателей преломления сердцевины и оболочки ОВ можно обеспечить, уменьшая показатель преломления кварца путем легирования его веществами, понижающими показатель преломления, например двуокисью бора В2О3. Другая возможность понижения показателя преломления заключается в добавлении фтора в плавленый кварц. Разность показателей преломления чистого SiO2 и материала с добавкой фтора увеличивается линейно с увеличением концентрации фтора.

Высокая температура плавления кварца затрудняет производство ОВ. Для облегчения технологического процесса применяют различные добавки к SiO2, позволяющие не только варьировать показательпреломления, нои снижатьтемпературу плавления.

ОВ становится световодом только в том случае, если сердцевина имеет более высокий показатель преломления, чем окружающая область. Поэтому большинство ОВ изготавливают с оболочкой из чистого SiO2, а показатель преломления сердцевины повышают присадкой оксида германия или фосфора. Иногда делают наоборот: из чистого кварца изготавливают сердцевину, а снижение показателя преломления оболочки достигают легированием оксидом бора. В последнее время все более широкое применение находят ОВ из многокомпонентных стекол иполимеров. Многокомпонентные стекла (натрий-боросиликаты, силикаты калия, алюмосиликаты натрия) имеют значительно

294

более низкую температуру плавления, чем кварцевое стекло, что существенно упрощает процесс вытяжки ОВ.

Однако при существующей технологии изготовления таких стекол, связанной с плавлением исходных материалов, невозможно обеспечить высокую чистоту стекломассы. Поэтому многокомпонентные стекла целесообразно использовать при дешевом массовом производстве ОВ среднего качества, например для обеспечения связи на короткие расстояния на внутренних сетях.

Полимерные ВС имеют также значительно более высокие потери, чем стеклянные. Например, в лучших ВС из полиметилметакрилата затухание составляет около 20 дБ/км. Однако полимерные ОВ очень дешевы и отличаются высокими механическими характеристиками. Это позволяет широко использовать полимерные ОВ в оптических линиях протяженностью в сотни метров, где они способны успешно конкурировать с ОВ из многокомпонентного стекла.

11.4. Технологияизготовленияоптических волокон

Одним из начальных этапов технологического процесса производства ОВ является изготовление из стекла заготовки, которой придают в поперечном сечении нужную геометрию волокна. Поэтому заготовку, позволяющую получать ОВ длиной более 10 км при диаметре 125 мкм, достаточно подвергнуть вытяжке.

Технологический процесс изготовления заготовок для кварцевых ОВ может базироваться на методе парофазного осаждения. В основе этого метода лежит реакция окисления высокочистых компонентов (например, SiCl4, GeCl4), в результате которой образуются частицы SiO2 и GeO2. В зависимости от того, где образуются частицы стекла – на внешней или внутренней поверхности исходной трубки – при указанном методе происходит внешнее и внутреннее осаждение.

Процесс внешнего парофазного осаждения осуществляет-

ся горелкой, в которую подают смесь примесей в виде хлоридов с чистым кислородом и горючим газом. Образующиеся пары

295

гидролизуются в пламени, образуя малые порошкообразные частицы высокочистого стекла. Поток этих частиц стекла осаждается со скоростью 0,5...1,0 г/мин на вращающемся стержне, образуя пористую заготовку со средним размером пор приблизительно 0,3 мкм, общей пористостью около 75 %.

Полученную пористую заготовку после зонного стеклования при прохождении через горячую зону печи (1500 ° С) превращают в сплошную заготовку, т.е. стеклянный стержень с сечением, подобным сечению будущего ОВ. Рассмотренным методом можно изготавливать ОВ как со ступенчатым, так и с градиентным профилем показателя преломления.

Метод внутреннего парофазного осаждения базируется на реакциях окисления галогенидов (SiCl4, GeCl4, BC13) в паровой фазе с последующим осаждением на внутренней стенке стеклянной трубки, находящейся в высокотемпературной зоне.

Втрубку вводится смесь необходимых газов (SiCl4, O2

ипримеси), и реакция происходит на стенках, нагретых до 1300...1600 ° С, что вызывает осаждение стекла на внутренней поверхности. За один оборот трубки над горелкой наращивается слой толщиной в несколько микрометров. Изменяя концентрацию основных добавок (германий, бор, фосфор и др.), можно варьировать показатель преломления от слоя к слою и получать нетолько двухслойные, но и градиентные ОВ. После того как толщина слоев стекла достигнет требуемого размера, процесс химического осаждения прекращается.

По окончании процесса осаждения стекла на внутреннюю поверхность опорной трубки полученную трубчатую заготовку видоизменяют в стержневую. Для этого ее конец нагревают до 1900 ° С, за счет чего он размягчается и под действием сил поверхностного натяжения расплава сжимается в сплошной стержень, из которого в дальнейшем получают ОВ.

Метод внутреннего парофазного осаждения является более чистым по сравнению с методом внешнего парофазного осаждения и позволяет получать ОВ с затуханием менее 0,5 дБ/км.

296

Принцип вытяжки волокон из заготовки (преформы) достаточно прост – конец заготовки нагревают до температуры плавления кварцевого стекла, а затем из него вытягивают тонкую нить. Охлаждаясь на воздухе, тонкая кварцевая нить быстро стеклуется и перестает удлиняться, что и обеспечивает возможность получения волокон с постоянным по длине диаметром. Температура подбирается так, чтобы можно было производить принудительную вытяжку. В этом случае форма профиля показателя преломления волокна получается близкой к форме профиля показателя преломления исходной заготовки.

Для нагревания конца заготовки в настоящее время применяются в основном циркониевые печи с индукционным нагревателем. Нагреть конец кварцевой заготовки до нужной температуры можно также с помощью более доступных источников тепла: кислородно-водородного пламени или графитовой печи. Однако при нагреве с помощью кислородно-водородного пламени нестабильность пламени увеличивает флуктуации диаметра оболочки волокна, а образующаяся как побочный продукт вода ухудшает состояние поверхности волокна.

Нагрев кварцевых заготовок с помощью графитовой печи также может приводить к их загрязнению, так как температура, необходимая для размягчения кварца, настолько высока, что способна вызвать взаимодействие SiO2 с углеродом. Циркониевые же печи с индукционным нагревателем, как и графитовые печи, обладают теплотворной способностью, достаточной для вытягивания волокон из больших заготовок, но приводят к меньшему загрязнениюволокон.

Преформа устанавливается на вершине колонки для вытяжки волокон и медленно вдвигается в печку, разогретую до температуры порядка 2100 ° С. Нижний конец преформы размягчается так, что из него можно вытягивать нити нужного диаметра. При этом форма профиля показателя преломления сохраняется, несмотря на огромное изменение масштаба в поперечном направлении.

297

На выходе из печки установлено лазерное устройство, с помощью которого измеряется диаметр кварцевой оболочки волокна (рис. 11.20). Сигнал с выхода этого устройства используется для коррекции скорости вытяжки волокна.

Рис. 11.20. Схема установки для вытяжки волокон

Сразу после измерения диаметра кварцевой оболочки на волокно наносится двухслойное покрытие, отверждаемое ультрафиолетовым излучением. Первый слой покрытия мягкий, а второй более твердый. Назначение покрытия состоит в механическом заполнении микротрещин и предохранении ОВ от влаги. В результате наложения покрытия прочность ОВ на разрыв повышается, что имеет первостепенную важность для дальнейших технологических операций (нанесение защитной оболочки, сборка кабеля). Концентричность наносимых на волокно покрытий контролируется по картине дифракции излучения He-Ne лазера.

11.5. Механическая прочность оптических волокон

Основными физико-механическими свойствами ОВ являются механическая прочность и минимальный радиус изгиба. Указанные физико-механические свойства определяют пригод-

298

ность использования ОВ в оптических кабелях, поэтому проблемам улучшения физико-механических характеристик ОВ уделяет особое внимание.

Физико-механические свойства ОВ довольно существенно отличаются от свойств исходного материала, из которого они изготавливаются. Прежде всего это относится к механической прочности, которая у ОВ больше. Так, если предел прочности при растяжении для стекла составляет (3,9...9,8) 107 Па, то ОВ диаметром 3...9 мкм, изготовленное из того же стекла, имеет этот предел (1,47...1,9) 109 Па. Одной из причин повышения прочности ОВ является так называемый масштабный фактор (увеличение прочности для изделий малого сечения).

Механическая прочность ОВ зависит от химического состава материала сердцевины и оболочки, отношения их площадей в поперечном сечении, диаметра волокна и окружающих условий. Прочность ОВ также в значительной степени зависит от технологических условий его получения. Основным фактором, снижающим прочность ОВ в процессе изготовления, являются случайные поверхностные дефекты. Уже при малых (начальных) деформациях появляются микротрещины, приводящие, в свою очередь, к повышению локальных напряжений. Поэтому прочность зависит как от размеров дефектов, так и их распределения по длине. С увеличением длины ОВ его прочность снижается, так как число поверхностных дефектов увеличивается. В конечном счете, когда концентрация напряжений в месте расположения дефекта достигнет критического значения данного материала, ОВ обрывается.

Другим фактором, влияющим на прочность ОВ, является окружающая среда. В сухой среде прочность ОВ наибольшая, а с увеличением влажности она снижается. Дело в том, что ОВ, находящиеся в напряженном состоянии в присутствии влаги, подвержены статической усталости – процессу развития трещин во времени. В результате разрыв ОВ наступает при значительно меньших напряжениях. Оптическое волокно, находящееся в воде, снижает свою механическую прочность на 20...30 %.

299

Основной причиной излома ОВ является их малая гибкость. С уменьшением диаметра ОВ прочность на изгиб повышается. Так, например, если ОВ диаметром 50…70 мкм являются достаточно гибкими, то при увеличении диаметра до 100 мкм и более гибкость существенно падает. На гибкость ОВ существенно оказывает влияние и окружающая среда. С повышением влажности воздуха сопротивление изгиба резко снижается.

Для повышения прочности и гибкости ОВ в процессе изготовления покрывают защитной оболочкой. Это позволяет защитить поверхность ОВ от механических и климатических воздействий, снижающих физико-механические характеристики.

11.6. Принцип работы волоконного оптического гироскопа

Гироскоп (от греч. gyréuō – кружусь, вращаюсь и skopéō – смотрю, наблюдаю) – быстро вращающееся симметричное твердое тело, ось вращения которого (ось симметрии) может сохранять свое направление в пространстве. Это устройство является основным элементом приборов, применяемых для управления движением самолетов, ракет и в ряде других систем гироскопической стабилизации для целей навигации.

Волоконный оптический гироскоп (ВОГ) – скоростной квантовый гироскоп, основанный на использовании эффекта Саньяка (G. Sagnac, опыт 1913 г.) – смещения интерференционных полос во вращающемся кольцевом интерферометре. Это смещение возникает вследствие зависимости времени обхода светом вращающегося контура от скорости вращения и направления обхода. Согласно общей теории относительности, разность времени обхода вращающегося контура ∆τ в рамках нерелятивистской кинематики равна

	∆ τ= 4SΩ cosφ c2 ,	(11.10)
где	S – площадь контура; Ω – угловая	скорость вращения;
φ –	угол между осью вращения и нормалью к плоскости кон-

300