[8] Материалы Для Световодов (Материалы с сайта Арсеньева)

8. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СВЕТОВОДОВ

8.1. Физические основы работы световодов

Интегральная оптика призвана сыграть по отношению к классической оптике такую же роль, какую в свое время сыграла полупроводниковая микроэлектроника по отношению к «ламповой» макроэлектронике. Основным элементом инте­гральной оптики в настоящее время является планарный све­товод— тонкий слой вещества, показатель преломления ко­торого отличается от показателя преломления подложки на­столько, что внутри слоя свет распространяется, испытывая многократные полные внутренние отражения. Изготовление самих пленарных волноводов, управление их формой и раз­мерами оказалось возможным благодаря технологии, разра­ботанной в полупроводниковой электронике.

Рассмотрим физические процессы, происходящие при рас­пространении электромагнитных волн н волоконных свето­водах. Волоконный световод, как правило, имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердечника и оболочки с разными показателями преломления n_с и n_об. Сердечник служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки — создание лучших условий отражения на границе сердечник— оболочка и защита от излучения энергии в окружающее пространство.

Луч L, падая из среды оптически более плотной на поверх­ность раздела со средой оптически, менее плотной под углом, большим предельного, будет испытывать полное внутреннее отражение и, многократно отражаясь, пойдет вдоль волокна, как это показано на рис. 8.1.

Р
ис. 8.1.

Если торец световода граничит с воздухом, то максималь­ное значение угла падения _мах находится из выражения

sin_мах=(n _c²— n _об²)^0,5.

Этот угол является мерой собирательной способности опти­ческого волокна (ОВ) и называется апертурным углом, а выражение (n _c²— n _об²)^0,5— числовой апертурой. От числовой апертуры зависят осо­бенности применения оптического волокна: улучшает эффективность ввода излучения от источника в ОВ и уменьшает потери при изгибе волокна, в то же время боль­шая величина апертуры приводит к увеличению межмодовой дисперсии и сужает полосу пропускания. Для использования в линиях дальней связи обычно подходят оптические волокна с числовой апертурой 0,2. Для обеспечивания требуемой чис­ловой апертуры стекло сердечника и оболочки должно иметь определенную разность показателей преломления. Значения показателя преломления определяются составом и химичес­кой структурой материала, преломляющие свойства которого обусловлены явлением поляризации молекул под воздей­ствием электрического поля световой волны. В оптической области спектра наблюдается, главным образом, деформа­ционная поляризация, при которой молекулы приобретают дипольный момент в результате смещения электронов (де­формации электронного облака) и поле волны.

Показатель преломле­ния зависит как от частоты электрического излучения (из рисунка видно, что эта зависимость имеет монотонно убываю­щий характер), так и от температуры: с ростом температуры показатель преломления уменьшается, что связано, главным образом, с уменьшением плотности вещества при тепловом расширении.

В последнее время исследуются материалы и оптические элементы с неодинаковым для различных точек показателем преломления. В таких материалах траектория светового луча криволинейна и не имеет изломов. Это обеспечивает отклоне­ние луча при приближении к периферии световода, не поз­воляет лучу выйти из световода через боковую поверхность, а при определенном распределении показателя преломления дает возможность фокусировать пучок лучей.

В

общем случае, распределения показателя преломления в сердечнике можно выразить с помощью функции

где а — радиус сердечника ОD;  — приведенная разница показателей преломления; r—текущий радиус;  — коэффи­циент профиля показателя преломления.

=[n²₍₀₎ -n²_()]/2n²₍₀₎

где n₍₀₎ —показатель преломления на оси ОВ; n_() — показа­тель преломления при r=а.

Наиболее широкое применение получили волоконные све­товоды двух типов: ступенчатые и градиентные. Ступенчатый профиль показателя преломления характеризуется =0 при 0rа. Градиентные световоды имеют непрерывное плав­ное изменение показателя преломления в сердечнике по ра­диусу световода от центра к периферии с максимумом на оси световода. Градиентные оптические волноводы обладают светофокусирующими свойствами и меньшими потерями пере­даваемой энергии.

8.2. Потери в оптических волокнах

Важнейшими параметрами волоконного световода явля­ются потери и соответственно ослабление. Эти параметры предопределяют дальность связи по оптическому кабелю и его эффективность. В табл. 8.1 приведены значения коэффи­циентов ослабления () различных сред. Под коэффициентом ослабления понимают величину, равную

=10lg(P₁/P₂)

где P₁ и Р₂ — световая мощность на входе и выходе опти­ческого волокна. Отношение мощностей P₁/P₂ в технике связи измеряется в децибелах (дБ), т. е., например, ослабление сигнала в 20 дБ означает уменьшение световой мощности в 100 раз.

Таблица 8.1

Среда	, дБ/км	, мкм
Оконное стекло	50000	0,4-0,8
Обычное силикатное стекло	3000	0,4-0,8
Многокомпонентное волокно	30	0,85
Кварцевое волокно	5	0,85
Кварцевое волокно	2	1,3
Кварцевое волокно	0,5	1,55
Атмосфера	10	0,85

Из приведенных данных видно, что оптическое кварцевое волокно имеет существенно меньшие потери по сравнению с обычными типами стекол, причем при длинах 1,3 и 1,55 мкм эти потери минимальны.

Ослабление световодных трактов обусловлено собственны­ми потерями в волоконных световодах и дополнительными потерями, причиной которых являются деформация и изгибы световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптических кабелей.

Собственные потери волоконных световодов состоят, в первую очередь, из потерь на поглощение _п и потерь на рассеяние _р. Ослабление в результате поглощения _п связано с потерями на поляризацию, они линейно растут с частотой и существенно зависят от природы материала и его чистоты. Эти виды потерь описываются комплексным показателем преломления. Потери в материале за счет поглощения могут происходить также по другим причинам. В диэлектрических материалах существенную роль играет поглощение за счет переходов внутри активаторных центров. В качестве активаторных центров могут выступать ионы примесей и особенно ионы переходных элементов, имеющие незаполненные внеш­ние оболочки; точечные дефекты структуры, способные обра­зовывать центры окраски. Этот факт еще раз подчеркивает важность требования предельной чистоты исходных материа­лов. К сожалению, требуемая чистота в материалах волокон­ных световодов едва достижима. Как правило, светопроводящий материал более или менее загрязнен, и прежде всего ионами металлов: железа, хрома, никеля, кобальта, меди (в кварцевом стекле, например, их долю необходимо умень­шить до значений 10^-8—10^-9); ионами гидроксильных групп и другими включениями.

В области резонансов собственных колебании ионов при­месей обычно имеются всплески ослабления. Из-за ионов гидроксильных групп чаще всего происходит всплеск ослабления на длинах волны 1,35; 0,95 и 0,75 мкм. Рассеяние обусловле­но неоднородностями материала волоконного световода, раз­меры которых меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления. Потери на рассеяние, определяются формулой

_р=(8³/3⁴)(n²-1)KT

где К — постоянная Больцмана; Т — температура перехода;  — сжимаемость; п — показатель преломления. Такое рас­сеяние называется рэлеевым. Потери на рэлеевое рассеяние определяют нижний предел потерь, присущих волоконным световодам. Этот предел различен для различных длин волн и с увеличением последних уменьшается.

На рис. 8.2 показаны изменения коэффициента ослабле­ния волоконного световода в зависимости от длины волны, причем линия _р описывает характер изменения ослабления из-за рассеяния, линия _п(УФ)—ослабление из-за поглоще­ния, кривая _п(ИК) — представляет собой резонансные пики из-за наличия в стекле ионов гидроксильных групп и других включений. На рис. 8.2 видны также три окна прозрачности световода с малым ослаблением в диапазонах волн 0,8—0,9; 1,2—1,3; 1,5—1,6 мкм. Причем, в этих диапазонах с увеличением дли­ны волны ослабление существенно уменьшается.

Р
ис. 8.2

В связи с этим ведутся работы по освоению волн 1,3 мкм и особенно 1,5—1,6 мкм. В последнем случае удается довести длину регенерационного участка до 50— 80 км и исключить из оптических кабелей медные жилы для дистанционного электропитания линейных регенераторов.

8.3. Материалы для изготовления оптических волокон

Для изготовления оптических волокон используют бесще­лочные стекла, такие как кварцевое, боросиликатное, фосфатосиликатное, а также некоторые полимеры.

При выборе материала для изготовления оптических во­локон необходимо учитывать ряд факторов, в том числе: 1) компоненты оптических волокон должны быть жестко скреплены между собой, при этом их поперечные размеры малы, а продольные очень велики; 2) в процессе изготовления происходит быстрая фиксация состояния, при котором раз­личные по составу размягченные материалы спекаются меж­ду собой; 3) технология изготовления оптических волокон свя­зана с его многократными термообработками. Поэтому воз­никает ряд специальных требований к физико-химическим свойствам материалов. Рассмотрим некоторые из них:

— разность коэффициентов термического расширения ма­териалов сердечника и светоотражающей оболочки должна находиться в пределах от —15,5*10^-7 град^-1 до 60*10^-7 град^-1. Для термомеханической прочности системы необходимо, что­бы коэффициент расширения стекла светоотражающей обо­лочки был ниже коэффициента расширения стекла сердеч­ника. Большинство стекол с низким коэффициентом расши­рения отличается более высокой термической и химической устойчивостью и более высокой температурой размягчения;

— одним из основных технологических параметров исход­ных материалов является вязкость. Зависимость вязкости от температуры определяет как возможность изготовления опти­ческих волокон, так и их оптические характеристики. Вытяж­ка волокон происходит при вязкости 1—7кН*с*м^-2. Отноше­ние вязкостей оболочки и сердечника при температуре вы­тяжки может лежать в пределах от 0,1 до 60;

— для технологического процесса изготовления оптичес­ких волокон необходимо, чтобы исходные стекла имели вы­сокую температуру размягчения. В процессе изготовления стекла в него попадают различные примеси, которые выго­рают лишь при температурах 550—570° С. Для осуществления этого процесса стекла не должны размягчаться до этих тем­ператур;

— наиболее трудноразрешимой проблемой при выборе и разработке материалов для изготовления оптических волокон является решение вопроса о «совместимости стекол», под которым понимают способность двух или трех стекол образо­вывать в оптическом волокне спаянную границу без возник­новения в месте спая или в стеклах при последующих терми­ческих обработках кристаллизации, пузыреобразования и дру­гих процессов, приводящих к частичной или полной потере световодных свойств оптических волокон.

Значительные преимущества перед остальными видами стекол, с точки зрения применения их в световодах, имеет кварц. Это обусловлено, в первую очередь, малыми внутрен­ними потерями на рассеяние и поглощение в видимой и ближ­ней инфракрасной областях длин волн, нагревостойкостью, механической прочностью, стойкостью к термоударам и т.п.

Высокая точка плавления кварца требует специальной технологии для изготовления оптических волокон, по с дру­гой стороны высокая температура плавления помогает изба­виться от различных примесей, которые испаряются при мень­ших температурах.

Показатель преломления кварцевого стекла составляет величину, равную n = 1,4585 при =0,589 мкм. Легируя квар­цевое стекло различными примесями, изменяют показатель преломления, увеличивая или уменьшая его значение до не­обходимых пределов при сохранении прочих характеристик на уровне характеристик чистого кварца. Легирующими ком­понентами, которые понижают показатель преломления квар­ца является окись бора (B₂O₃), фтор.

Все другие добавки к плавленному кварцу приводят к увеличению показателя преломления. Наиболее подходящи­ми для этой цели оказались окиси: GeO₂, P₂O⁵, TiO₂, Al₂O₃.