CC BY
146ЛАЗЕРЫ И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА
Л. М. ПРОХОРОВ,
лауреат Нобелевской премии
Е. М. ДИАНОВ,
академик, НЦВО РАН
Рассмотрена история создания, технология, типы и основные принципы работы оптических волокон.
Reviewed the history of creation, technology types and basics of optical fibers.
введение
Создание лазеров и их широкое развитие привело к появлению ряда новых направлений науки и техники. Одним из таких направлений является современная волоконная оптика, опирающаяся на стеклянные волоконные световоды с низкими оптическими потерями. Наиболее важной и развитой в настоящее время областью применения волоконной оптики является волоконно-оптическая связь.
В 1966 г. Као и Хокхэм показали, что большое затухание в стеклянных световодах связано с примесями в стекле и что можно получить затухание в оптическом диапазоне менее 20 дБ/км
Разработка стеклянных волоконных световодов с низкими оптическими потерями была вызвана потребностью в создании передающей среды для систем оптической связи. После успешных опытов А. С. Попова начала бурно развиваться радиосвязь, в частности потому, что при освоении нового радиодиапазона [1] создавались монохроматические источники радиоколебаний. Развитие шло по пути освоения все более коротких радиоволн, так как это позволяло передавать больший объем информации. Оптический диапазон практически не использовался для целей связи главным образом потому, что в оптике не было монохроматических источников излучений. После создания лазеров началась разработка линий связи в оптическом диапазоне. Для этого имелась начальная элементная база, а идейная сторона была уже разработана в радиодиапазоне. Первые опыты по передаче информации с помощью луча лазера через свободную атмосферу показали, что из-за метеорологических условий она не является подходящей средой для передачи света на значительные расстояния. Использование труб с корректирующими элемента-
ми изолировало свет от влияния нестабильной атмосферы, однако делало передающие линии сложными, громоздкими и дорогостоящими.
Стеклянные волоконые световоды использовались еще до изобретения лазеров, но так как они имели затухание более 1000 дБ/км, применение их для целей связи не считалось перспективным. В 1966 г. Као и Хокхэм [2] показали, что большое затухание в стеклянных световодах связано с примесями в стекле и что можно получить затухание в оптическом диапазоне менее 20 дБ/км. Эта работа послужила мощным толчком для разработки стеклянных волоконных световодов с низким затуханием. В 1970 г. фирмой «Корнинг гласе» (США) изготовлены стеклянные волоконные световоды с потерями менее 20 дБ/ км в видимой области спектра. В этом же году Ж. И. Алферовым с сотрудниками получена непрерывная генерация при комнатной температуре полупроводникового лазера на основе двойной гетероструктуры ОаА1А8 [2]. Эти два достижения явились основой для развития волоконно-оптической связи. В дальнейшем, спустя немногим более пяти лет, были разработаны волоконные световоды на основе кварцевого стекла с предельно низкими потерями порядка нескольких десятых долей дБ/км (~106см -1) в ближней ИК области спектра. В свою очередь появ-
В 1970 г. фирмой «Корнинг гласе» (ША) изготовлены стеклянные волоконные световоды с потерями менее 20 дБ/км в видимой области спектра. В этом же году ж. и. Алферовым с сотрудниками получена непрерывная генерация при комнатной температуре полупроводникового лазера на основе двойной гетероструктуры GAALAS2. эти два достижения явились основой для развития волоконно-оптической связи.
ление стеклянных волоконных световодов с такими низкими оптическими потерями стимулировало интенсивные исследования и разработку других элементов систем оптической связи, в частности, полупроводниковых лазеров, с большим сроком службы (более 105 ч), фотодетекторов, элементов интегральной оптики и т.п. В результате возникла и бурно развивается волоконно-оптическая связь.
За последние 10 лет во многих странах были проведены многочисленные испытания различных волоконно-оптических систем передачи информации в реальных условиях. Наиболее ши-
Ключевые слова: волоконная оптика, типы световодов, прочность, потери, технология, нелинейные эффекты
Keywords: fiber optics, fiber types, strength, loss of technology, nonlinear effects
рокое применение волоконно-оптические линии связи находят в настоящее время в телефонной сети. Весьма перспективным является использование волоконных световодов с малыми оптическими потерями в кабельном телевидении, и практически во всех развитых странах разработаны крупномасштабные проекты создания волоконно-оптического кабельного телевидения. В частности, в мае 1984 г. в Москве была введена в опытную эксплуатацию первая волоконно-оптическая линия кабельного телевидения, подводящая телевизионные сигналы к жилому дому на Уральской улице, находящемуся в зоне неуверенного приема. Опыт эксплуатации этих систем показал их техническую и экономическую жизнеспособность. Мировой объем выпуска волоконных световодов с низкими оптическими потерями составляет в настоящее время ~ 106 км/год.
Преимущества волоконно-оптических линий связи перед линиями связи на основе коаксиальных кабелей в настоящее время очевидны. Они не требуют применения дефицитных цветных металлов (меди, свинца и др.) и являются высокопомехозащищен-ными. Важнейшим преимуществом является возможность передачи информации с большой скоростью на большие расстояния без использования ретрансляторов. Так, в настоящее время разработаны системы волоконно-оптической связи, позволяющие передавать информацию со скоростью 4 Гбит/с на расстояние свыше 100 км без ретрансляции [3]. Огромные возможности волоконно-оптической связи и современное состояние развития элементной базы характеризуют реализуемые в настоящее время трансатлантическая и транстихоокеанская подводные воло-
типичный волоконный свотовод представляет собой длинную нить диаметром от ста до тысячи микрометров в зависимости от применений, состоящую из цилиндрической стеклянной сердцевины, окруженной оболочкой из материала с меньшим показателем преломления.
конные линии связи.
В последние годы возник ряд новых применений стеклянных волоконных световодов с низкими оптическими потерями. Среди них — волоконно-оптические датчики различных физических полей (акустических волн, температуры, магнитного поля, вращения и др.), в которых волоконный световод является чувствительным элементом [4], а также использование волоконных световодов для канализации мощного лазерного излучения для медицинских и технологических целей [5].
Еще одним важным и интересным направлением волоконной оптики является нелинейная волоконная оптика. Кварцевое стекло не является материалом с сильной нелинейностью, однако большие длины волоконных световодов при низких оптических потерях и малые поперечные размеры световодов резко снижают пороги возникновения различных нелинейных явлений. Это обстоятельство существенно расширило также возможности эксперимента, поскольку стало возможным применение в качестве источников накачки относительно маломощных перестраиваемых в широкой области спектра лазеров на красителях и центрах окраски в кристаллах.
Все это обусловило широкий интерес к нелинейной волоконной оптике, и в последнее время здесь были получены
технология изготовления световодов основана на химическом осаждении материала световода из паровой фазы. F- и В2й3 снижают показатель преломления кварцевого стекла, все другие добавки повышают. любые добавки понижают температуру плавления кварцевого стекла.
очень интересные результаты. К ним следует отнести наблюдение солитонного режима распространения оптических импульсов, получение оптических импульсов фемтосекундной длительности, создание солитонного лазера и др. В литературе обсуждается возможность нелинейных оптических линии связи [46—57]'
В данной статье мы рассмотрим типы и технологию стеклянных волоконных световодов с низкими потерями, теорию волоконных световодов, некоторые явления, сопровождающие распространение оптического излучения по световоду.
типы волоконных световодов и те хнология изготовления
Типичный волоконный свотовод представляет собой длинную нить диаметром от ста до тысячи микрометров в зависимости от применений, состоящую из цилиндрической стеклянной сердцевины, окруженной оболочкой из материала с меньшим показателем преломления (рис. 1). Обычно в качестве материала оболочки также используется стекло, но применяются и различные полимеры. Волоконные световоды разделяются на мно-гомодовые и одномодовые, в зависимости от числа мод, которые могут распространяться по световоду. Диаметр сердцевины 2а обычно составляет 5-8 мкм для одномодовых световодов для ближней ИК области и от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров — для многомодовых. Разница показателей преломления Dn = п1 — п2 материалов сердцевины и оболочки, обеспечивающая канализацию света посредством полного внутреннего отражения на их границе, составляет, как правило, 1-2% для многомодовых световодов и несколько десятых долей процента для одномодовых. Важной характеристикой волоконного световода является числовая апертура: NA = (n12— n,2)1'2 = sin 0
2 ' кр
где 0кр — максимальный угол, образованный лучом с осью световода, при котором еще происходит распространение луча за счет явления полного внутреннего отражения.
В настоящее время, в соответствии с различными применениями, производятся три основных типа волоконных световодов (. рис. 1).
1. Многомодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления, с высокой числовой апертурой (0,29-0,30) и большим диаметром сердцевины (несколько сотен микрон). Этот класс световодов разработан для низких скоростей передачи информации (десятки и сотни Мбит'с) на короткие расстояния.
2. Многомодовые световоды с градиентным профилем показателя преломления по сечению для широкополосных линий дальней связи (скорость передачи информации до 140 Мбит'с или выше, расстояния до 20-40 км.). Как правило, диаметр сердцевины таких световодов составляет 50 мкм, полный диаметр — 125 мкм, числовая апертура 0,20-0,23.
Рис. 1. Поперечное сечение и профиль показа теля преломления по
сечению для световодов:
многомодовых ступенчатых (а)
многомодовых градиентных (6)
одномодовых (в)
Рис. 2. Принцип изготовления заготовок волоконных световодов методами химического осаждения из газовой фазы. а — метод внутреннего осаждения (М^й), б — метод внешнего осаждения (OVй), в — метод аксиального осаждения №Лй)
3. Одномодовые волоконные световоды (для скоростей передачи информации свыше 140 Мбит/с и расстояний свыше 40 км). Они широко применяются также в волоконно-оптических датчиках различных физических полей.
Наибольшие успехи достигнуты в настоящее время в разработке волоконных световодов на основе кварцевых стекол. Эти световоды имеют наинизшие потери (доли дБ/км в ближней ИК области) и наивысшую механическую прочность (до 5 ГПа).
В качестве материала сердцевины и оболочки используется кварцевое стекло с легирующими добавками 0е02, Р2О5, В2О3, Р~. Эти добавки необходимы для подбора оптических и тепло-физических параметров (показатель преломления, температура размягчения и др.) стекла сердцевины и оболочки. Р- и В2О3 снижают показатель преломления кварцевого стекла, все другие до-
бавки повышают. Любые добавки понижают температуру плавления кварцевого стекла.
Технология изготовления световодов этого типа основана на химическом осаждении материала световода из паровой фазы, причем исходными материалами являются летучие галиды и кислород. Из летучих галидов обычно используются хлориды кремния, германия, бора, оксихлорид фосфора, бромид бора. Принцип изготовления заготовок волоконных световодов методами химического осаждения из паровой фазы схематически изображен на рис. 2. На левой стороне рисунка изображена схема подготовки паров галидов. В качестве газа-носителя используется кислород. Регуляторы расхода газа (РРГ) позволяют изменять подачу исходных соединений в процессе изготовления заготовки.
В промышленном производстве волоконных световодов на основе кварцевого стекла используются три способа.
В первом способе (рис. 2, а), называемом часто методом внутреннего осаждения, реакция паров галидов с кислородом происходит внутри вращающейся трубки из кварцевого стекла (опорная трубка). В результате образуются мелкие частицы двуокиси кремния и легирующих добавок, которые осаждаются на внутренней поверхности опорной трубки. Образующийся слой пористого стекла проплавляется затем в прозрачное стекло без пузырей с помощью газовой горелки, перемещающейся вдоль трубки. И так слой за слоем наносится сначала стекло оболочки, затем сердцевины. После нанесения достаточного количества слоев температура трубки повышается, и она схлопыва-ется в сплошной стержень — заготовку. Заготовка имеет внутри себя волноводную структуру (сердцевину, окруженную оболочкой с меньшим показателем преломления) и готова к перетяжке в волоконный световод.
Во втором способе (рис. 2, б), называемом методом внешнего осаждения, реакция окисления галидов происходит в пламени горелки, и образующиеся мелкие частички окислов осаждаются на внешнюю поверхность вращающейся цилиндрической подложки, вдоль которой движется горелка.
Таким путем наносится пористый материал сначала сердцевины, затем оболочки. После удаления подложки пористая заготовка проплавляется зонной плавкой с одновременной осушкой. Охлопывание прозрачной заготовки и вытяжка волоконного световода производятся в одной технологической операции.
В третьем способе (рис. 2, в), называемом аксиальным осаждением, пористый материал осаждается на торец вращающегося затравочного стержня из кварцевого стекла. Полученная таким образом пористая заготовка тоже проплавляется зонной плавкой с одновременной осушкой.
Все три описанных способа позволяют в настоящее время получать волоконные световоды сравнимого качества. Однако производительность их различна. Из одной заготовки, получаемой методом внутреннего осаждения, можно вытянуть порядка 10 км световодов диаметром 125 мкм, из заготовки, получаемой внешним осаждением,— несколько десятков километров. Метод аксиального осаждения позволяет получать заготовки на 100 км волоконных световодов, а в принципе этот метод производства световодов может быть непрерывным.
Следующей операцией при производстве световодов является вытяжка волоконного световода из заготовки с одновременным нанесением полимерных покрытий.
Принципиально процесс вытяжки прост (рис. 3). Заготовка с помощью прецизионного механизма подачи вводится в печь,
Рис. 3. Блок-схема установки вытяжки волоконных световодов из заготовок.
1 — узел прецизионной подачи заготовки;
2 — заготовка; 3 — печь; 4 — датчик диаметра волоконного световода; 5 — устройство для нанесения на световод первичного покрытия; Б — печь для полимеризации первичного окрытия; 7 — прецизионный намотчик; 8 — перемещение намотчика для послойной намотки; 9 — сервоконтроль диаметра световода;
10—управление скоростью подачи заготовки или скоростью намотчика
при этом конец заготовки расплавляется. Из расплавленного стекла вытягивается волоконный световод, сохраняющий вол-новодную структуру заготовки. Скорость вытяжки составляет обычно от нескольких десятков м/мин до 60 м/мин. Вытяжка волоконных световодов на основе кварцевого стекла является не простой задачей, поскольку необходимо обеспечить температуру в горячей зоне печи около 2200 °С. В настоящее время для разогрева заготовки чаще всего применяют графитовые печи, нагрецаемые либо постоянным электрическим током, либо с помощью индукционной катушки, а также кислородно-водо-родную-горелку. Перспективным для нагрева заготовки является излучение СО2-лазера .
Процесс вытяжки может оказать существенное влияние на характеристики волоконных световодов и, прежде всего, на его механическую прочность. Прочность волоконных световодов должна быть достаточной, чтобы выдержать нагрузки при из-
Теоретическая прочность стекла, определяемая силой связи атомов, весьма велика. оценки показывают, что прочность стекла на разрыв составляет ~ 20 ГПа. в ряде экспериментов наблюдалась прочность стекла вплоть до 16 ГПа. Однако большинство стеклянных изделий обладает на несколько порядков более низкой прочностью, обычно 30-100 МПа. Было замечено, что различного рода дефекты (неоднородности, включения, царапины) сильно снижают прочность стекла, при этом, как правило, поверхностные дефекты определяют прочность стеклянных образцов. Снижение прочности стекол по сравнению с теоретической объясняется гипотезой микротрещин Гриффита.
готовлении волоконно-оптического кабеля, при: его прокладке и эксплуатации.
Теоретическая прочность стекла, определяемая силой связи атомов, весьма велика. Оценки показывают, что прочность стекла на разрыв составляет ~ 20 ГПа. В ряде экспериментов наблюдалась прочность стекла вплоть до 16 ГПа. Однако большинство стеклянных изделий обладает на несколько порядков более низкой прочностью, обычно 30—100 МПа. Было замечено, что различного рода дефекты (неоднородности, включения, царапины) сильно снижают прочность стекла, при этом, как правило, поверхностные дефекты определяют прочность стеклянных образцов.
Снижение прочности стекол по сравнению с теоретической объясняется гипотезой микротрещин Гриффита. В этой модели постулируется, что на поверхности стеклянного образца существуют очень маленькие трещины. Приложенное к образцу растягивающее напряжение концентрируется у вершины трещины, локальная величина напряжения может стать равной теоретической прочности стекла, и происходит разрыв атомных связей. При этом среднее напряжение в образце остается еще очень низким. Такой подход приводит к критерию разрушения для стекла в виде ст1'2 (а) = const, где ст—приложенное напряжение, а — большая полуось трещины эллиптического сечения.
Оценки показывают, что наличие в стеклянном волокне трещины с а = 0,03 мкм приводит к разрушению образца при приложении растягивающей нагрузки 3,5-103 МПа.
Справедливость гипотезы Гриффита подтверждена многочисленными примерами успешного применения основанных на ней методов повышения прочности стекла, таких как ионный обмен, химическое травление и др. Подтверждением этой гипотезы является также на несколько порядков более высокая прочность све-жеизготовленных стеклянных волокон по сравнению с волокнами, оставленными на несколько дней в лабораторных условиях без защиты.
Реальный образец стекла содержит много трещин, при этом самая крупная трещина первой приведет к разрушению образца при приложении к нему напряжения. Поскольку в настоящее время нет способа определять размер и местонахождение самой крупной трещины в образце и так как в каждом образце, вообще говоря, имеется свое распределение трещин по размеру, то ясно, что прочность стекла является по своей природе статистической характеристикой. Для анализа результатов измерений прочности
Рис. 4. Распределение вероятностей разру шения волокон из
синтетического кварцевого стекла.
Длина образцов—20 м. число образцов—20.
1 — Стандартная атмосфера в графитовой лечи;
2 — обеспечена беспыпевая атмосфера в печи
используется статистика Вейбулла, основанная на модели «слабейшего» звена. Вероятность разрушения стеклянного волокна длиной I при приложении растягивающего усилия о хорошо описывается распределением вероятностей Вейбулла в форме: Р(а, 1) = 1 — ехр [1/1о (а/ ао)ш]
Или 1п 1п(1/1-Р) = ш 1п (а/ ао) + 1п (1/1о)
где Р — доля образцов волокна длины 1, разрушившихся при данной нагрузке, 7о, а0, т — постоянные, определяемые путем испытания достаточно большого числа образцов до их разрушения.
Величина т обратно пропорциональна коэффициенту вариации прочности образцов. Для световодов, обладающих небольшим разбросом прочности по длине, имеет место крутой наклон распределения Вейбулла (т —велико).
Многочисленные исследования механизмов разрушения стеклянных волоконных световодов и влияния технологии на прочность световодов, проведенные в последнее десятилетие привели к разработке волоконных световодов с прочностью на разрыв до нескольких ГПа при длинах световодов порядка 10 км. Проведенные исследования показали, что для получения высокопрочных волоконных световодов необходимо обеспечить следующие основные условия.
1. Высокое оптическое качество опорной трубки. Предпочтение следует отдавать синтетическому кварцевому стеклу.
2. Высокое качество поверхности заготовки. Перед вытяжкой необходимы травление заготовки или огневая полировка, или и то, и другое вместе.
3. Стерильность источника разогрева заготовки при вытяжке световода. Перспективным является нагрев заготовки с помощью СО2-лазера.
Рис, 5. Спектральные зависимости фундаментальных оптических потерь в кварцевом стекле, легированном германием: УФ поглощения (1), рэпеевского рассеяния (2), ИКрешеточного поглощения (З), суммарных (4)
4. Нанесение полимерных покрытий в процессе вытяжки без повреждения поверхности волоконных световодов.
Чаще всего в качестве материала для покрытия волоконного световода в процессе вытяжки используются эпоксидная смола, отверждаемая УФ излучением, и силиконовая резина, вулканизируемая при умеренных температурах. Толщина покрытия — от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров.
На рис. 4 приведено распределение Вейбулла вероятностей разрушения волокон из синтетического кварцевого стекла, вытянутых с помощью графитовой печи 11. Видно сильное влияние частичек пыли в печи на прочность волокон.
теория распространения оптического излучения по регулярным волоконным световодам
Лучевая теория правильно описывает основные черты распространения света по волоконному световоду, однако более детальная информация может быть получена только из решений уравнений Максвелла. Теория регулярных волоконных световодов в настоящее время хорошо разработана и очень подробно изложена в литературе (например, [1-3]-[1—5])
оптические явления в стеклянных волоконных световодах
При распространении оптического излучения по волоконному световоду наблюдается ряд явлений, изучение которых представляет практический и научный интерес. Одним из таких явлений является ослабление оптического сигнала. Исследование механизмов оптических потерь и их спектральной зависимости позволяет не только получать волоконные световоды с предель-
Рис, 6. Спектр оптических потерь градиентного многомодового световода с сердцевиной из кварцевого стекла, легированного двуокисью германия. Штриховая кривая показывает теоретический предел, обусловленный рэлеевским рассеянием
механизмы оптических потерь в стеклянных волоконных световодах
Проведем рассмотрение механизмов оптических потерь в стеклянных световодах на примере световодов из кварцевого стекла, поскольку эти световоды находят в настоящее время наибольшее распространение, а механизмы оптических потерь в них хорошо изучены. Область наибольшей прозрачности кварцевого стекла лежит в видимой и ближней ИК области спектра. Оптические потери стекла определяются как фундаментальными (собственными) механизмами поглощения и рассеяния света, так и поглощением и рассеянием примесями и дефектами.
В волоконных световодах возможны дополнительные потери
предел пропускной способности волоконного световода
определяется тем, насколько близко могут располагаться соседние импульсы, кодирующие информацию, без взаимного перекрытия
Дг 1_
>
Рис. 7. Распространение лучей в ступенчатом (а) и градиентном (6) волоконных световодах
оптические потери стекла определяются как фундаментальными (собственными) механизмами поглощения и рассеяния света, так и поглощением и рассеянием примесями и дефектами
но низкими потерями, но и выбирать материалы и спектральные области, в которых световод из данного материала наиболее целесообразно использовать.
Другим практически важным явлением является ушире-ние короткого оптического импульса при его распространении по световоду. Важность изучения этого явления объясняется прежде всего тем, что уширение импульса ограничивает скорость передаваемой по световоду информации в системах оптической связи. В этом разделе мы рассмотрим также нелинейные оптические явления, наблюдение которых в волоконных световодах имеет ряд важных особенностей.
из-за рассеяния света на неоднородностях волноводной структуры.
К фундаментальным механизмам оптических потерь в указанной области спектра относятся хвосты электронных полос поглощения в УФ области, инфракрасное решеточное поглощение рассеяние света на неоднородностях, меньших длин волны света и присущих стеклам (рэлеевское рассеяние).
На рис. 6 представлены оценки фундаментальных оптических потерь в кварцевом стекле, выполненные путем экстраполяции краев собственного электронного и фононного поглощений в область высокой прозрачности, а также учета рэлеевского рассеяния [19]. Поглощение рассчитывалось из спектров пропускания особочистых образцов кварцевого стекла в ультрафиолетовой и ближней ИК области спектра, а кривая рэлеевского рассеяния получена экстраполяцией потерь на рассеяние, измеренных в высокооднородных образцах кварцевого стекла на волне 0,63 мкм, в соответствии с законом \-4. Из рисунка видно, что область максимальной прозрачности кварцевого стекла, лежит в диапазоне 1-1,7 мкм, причем абсолютный минимум оптических потерь расположен на волне 1,55 мкм и составляет величину около 5 10-7см-1 (~ 0,2 дБ/км).
Если говорить о примесном поглощении, то в ближней ИК области спектра оно обусловлено, главным образом, примесями переходных металлов Ре, Си, N1, Сг, V и др., а также гидроксиль-ными группами. Для того, чтобы поглощение примесями переходных металлов и гидроксильных групп было несущественным, их содержание в стекле не должно превышать нескольких ррЬ(10-9) и ррт (10-6) соответственно. Разработанные Г. Г. Девятых с сотрудниками методы очистки летучих галидов позволяют получать хлориды кремния, германия и др. с содержанием примесей переходных металлов, органических веществ и воды на уровне (10-7-10-8) масс.%, 10-4 мол.% и 10-5 мол.% соответственно [17,18]. Такая чистота исходных соединений в сочетании с хорошо разработанной технологией изготовления волоконных световодов, позволяющей получать совершенные волноводные структуры без дополнительного загрязнения стекла в процессе изготовления световода, привели к созданию световодов с потерями, близкими к предельно низким.
Рис. 8. Спектр материальной дисперсии различных кварцевых стекол:
На рис. 7 показан спектр оптических потерь градиентного многомодового 22 световода с сердцевиной из кварцевого стекла, легированного двуокисью германия. Видно, что за исключением небольшого пика поглощения на волне 1,38 мкм, обусловленного примесями гидроксильных групп, оптические потери близки к теоретическому пределу, обусловленному рэлеевским рассеянием. Минимальные потери составляют величину 0,25 дБ/ км на волне 1,55 мкм.
Таким образом наиболее предпочтительной с точки зрения длины безретрансляционного участка спектральной областью для осуществления волоконно-оптической связи является диапазон длин волн 1,2—1,6 мкм, где оптические потери в волоконных световодах на основе кварцевого стекла имеют наименьшую величину.
уширение коротких импульсов света
Предел пропускной способности (скорости передачи информации, информационной полосы пропускания) волоконного световода определяется тем, насколько близко могут располагаться соседние импульсы, кодирующие информацию, без взаимного перекрытия и, следовательно, без возникновения межсимвольных помех. Три главных механизма вызывают уширение коротких оптических импульсов при их распространении по световоду и тем самым ограничивают информационную полосу пропускания волоконных световодов.
Уширение короткого светового импульса, распространяющегося по многомодовому световоду, обусловлено прежде всего разной групповой скоростью распространения различных мод. В типичных многомодовых световодах с диаметром сердцевины 50 мкм и разностью показателей преломления сердцевины и оболочки 0,01 распространяется несколько сотен мод, и уширение импульса составляет несколько десятков наносекунд на длине световода в 1 км. Такое уширение импульсов приводит к ограничению информационной полосы пропускания до нескольких десятков МГц на километр длины световода. Эффект различия групповых скоростей различных мод может быть резко снижен
Рис. 9. Зависимость мощности стоксовой волны на частоте = 2 ч2 — ч1 от разности частот йч = ч1 — ч2 (1), 2 — спонтанное КР
путем создания определенного профиля показателя преломления по сечению световода (рис. 1).
Профиль показателя преломления, близкий к параболическому, в большой степени выравнивает групповые скорости мод и позволяет снизить уширение импульса до величины порядка 0,1 нс/км.
В настоящее время производятся градиентные волоконные световоды с информационной полосой пропускания более 1 Ггц-км [23]. Отметим, что все три вышеописанные способа получения световодов позволяют получать градиентные световоды.
Эффект уширения импульсов в многомодовых световодах со ступенчатым профилем показателя преломления и его снижения в градиентных световодах можно наглядно проиллюстрировать в рамках лучевого приближения. В этом приближении различным модам соответствуют лучи, распространяющиеся под различными углами к оси световода. На рис. 8, а показано распространение лучей в многомодовом световоде со ступенчатым профилем показателя преломления, на рис. 8,6 — в градиентном световоде. Ясно, что в первом случае лучи, входящие в световод под большими углами, проходят больший путь, и переносимое ими излучение приходит к выходному концу световода с запаздыванием, что приводит к уширению импульса. Во втором случае лучи, входящие в световод под большими углами, тоже проходят больший геометрический путь, однако часть пути они проходят в области с меньшим показателем преломления, поэтому при правильно вы-
вЮ + ве0 (1) вЮ (2)
бранном профиле показателя преломления можно примерно уровнять оптические пути лучей и тем самым сильно уменьшить уширение импульса.
В световодах с оптимальным профилем показателя преломления и одномодовых световодах уширение импульса вызывается главным образом материальной дисперсией, обусловленной зависимостью показателя преломления материала световода от длины волны. Поскольку оптический импульс всегда имеет конечную спектральную ширину, то происходит уширение импульса при его распространении даже по одномодовому световоду.
Уширение импульса вследствие материальной дисперсии при распространении по световоду длины Ь определяется выражением
Дт = Ь/с (а2 п/а2\) \б\
где С — скорость света в вакууме, б\ — спектральная ширина источника излучения.
В качестве примера приведем величину уширения импульса светоизлучающего диода на основе Оа лб, работающего на волне 800 нм и имеющего спектральную ширину 16 нм. При распространении такого импульса по воконному световоду из кварцевого стекла уширение вследствие материальной дисперсии составляет около 3 нс/км.
Уширение импульса вследствие материальной дисперсии резко уменьшается, если длина волны несущего излучения выбрана в спектральной области вблизи 1,3 мкм. На рис. 9
[24] приведена спектральная зависимость материальной дисперсии различных кварцевых стекол. Видно, то материальная дисперсия этих стекол обращается в нуль в спектральной области вблизи 1,3 мкм. Здесь уместно обратить внимание, что область отрицательной материальной дисперсии кварцевого стекла расположена в диапазоне длин волн, больших 1,3 мкм. то важно с точки зрения наблюдения некоторых нелинейных явлений в волоконных световодах, которые мы рассмотрим в следующем разделе.
В области близкой к нулю материальной дисперсии уширение импульса будет обусловлено волноводной дисперсией, связанной с зависимостью групповой скорости данной моды от геометрической структуры световода, в частности, диаметра сердцевины. Волноводная дисперсия обычно мала по сравнению с величиной материальной дисперсии во всем спектральном диапазоне, роме области близкой к нулю материальной дисперсии.
Соответствующим выбором структуры световода, в частности, применением многослойных структур, можно обиться компенсации материальной дисперсии за счет противоположной по знаку волноводной дисперсии в спектральной области 1,3-1,6 мкм. Искажения сигнала в этом случае будут минимальными и они определяются дисперсией более высокого порядка
[25], [6]. Оценки показывают, что в этом случае по одномодовым световодам можно передавать информацию со скоростью порядка сотен Гбит/с на расстояние 1 км.
В предыдущем разделе мы видели, что минимальные оптические потери в волоконных световодах из кварцевого стекла лежат в области 1,3—1,6 мкм. Следовательно, эта спектральная область является наиболее перспективной для осуществления широкополосной дальней волоконно-оптической связи [27].
нелинейные оптические явления в волоконных световодах
До сих пор мы рассматривали стеклянные волоконные световоды как полностью пассивную или линейную среду. Вследствие изотропии материала сердцевины стеклянных световодов младший нелинейный член в разложении поляризации по полю — кубичный, т.е. нелинейная поляризация. Несмотря на то, что кубичная нелинейность в стеклах является слабой, большие длины волоконных световодов при низких оптических потерях и малые поперечные размеры световодов выдвигают их в число наиболее интересных сред для наблюдения различных нелинейных явлений.
Действительно, использование длин световодов порядка или более 1 км увеличивает длину взаимодействия лазерного излучения со средой в 105-106 раз по сравнению со случаем наблюдения нелинейных явлений в объемных средах при сравнимых размерах сечения пучка. Диаметр сердцевины одномодового световода составляет в ближней ИК области 5-8 мкм, поэтому при пропускании через такой световод излучения мощностью 1 Вт плотность излучения в нем составляет величину порядка нескольких МВт-см-2.
Модовые свойства волоконных световодов открывают новые перспективы в исследованиях нелинейных явлений. Как мы видели выше, изменяя параметры световода (диаметр сердцевины, Лп), можно получать различные режимы распространения оптического излучения: одномодовый, маломодовый с заданным числом мод, многомодовый. При этом каждая мода имеет свой эффективный показатель преломления и неизменную конфигурацию поля по всей длине взаимодействия.
Благодаря указанным факторам, в волоконных световодах наблюдались не только практически все известные нелинейные явления, но и ряд новых, уникальных.
По сути дела возникло и бурно развивается новое направление волоконной оптики — нелинейная волоконная оптика.
Ниже мы коротко остановимся на некоторых наиболее интересных и практически важных явлениях.
В кварцевом стекле спектр комбинационного рассеяния (КР) широк, и колебательная частота, соответствующая максимуму интенсивности рассеянного света, расположена в области ~450 см-1. Первая стоксова компонента вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКР) наблюдается при мощности накачки в несколько сот милливатт. С помощью лазера с модулированной добротностью на гранате с неодимом (\ = 1,06 мкм и 0,53 мкм) в многомодовом волоконном световоде достаточно просто получить каскадное-ВКР, причем спектр излучения большого числа стоксовых компонент перекрывает область прозрачности кварцевого стекла вплоть до 1,6 мкм [28], [3]. Большая эффективность преобразования (более 50%) и относительно малые пороги процесса делают такой широкополосный источник мощного излучения перспективным для разных применений. Возможно создание и узкополосных перестраиваемых ВКР-лазеров как при лазерной накачке волоконного световода, помещенного в дисперсионный резонатор [31] так и просто при включении световода в резонатор гранатового лазера при ламповой накачке кристалла [32].
Вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна (ВРМБ) в волоконных световодах может наблюдаться при еще меньших мощностях накачки, если ширина спектра накачки порядка ширины линии рассеяния Мандельштама — Бриллюэна,
Рис. 10. Нелинейная динамика временной огибающей IV (г,т) \2 и спектра I (ш, г)
2 (а)- и 3 (б)-солитонных импульсов в волоконных световодах, г нормировано на дисперсионную длину, остальные переменные — на их значения при 1 = 0, т = 0 и йш = 0
которая для плавленого кварца составляет величину порядка 100 МГц. Минимальная мощность при накачке аргоновым лазером, при которой наблюдалось ВРМБ в одномодовом световоде длиной 80 м в резонаторе, составляла 15 мВт [33].
Несмотря на то, что коэффициент усиления ВРМБ в стеклах более чем на два порядка превышает коэффициент усиления для ВКР, последний процесс обычно является доминирующим, так как ширина полосы накачки обычно много больше ширины линии рассеяния МБ.
В [34], [38] впервые исследовалось ВРМБ в многомодовых световодах. При накачке многомодовых световодов узкополосным лазерным излучением (лазер на гранате с неодимом, к = 1,06 мкм) наблюдалось обращение волнового фронта накачки. Эффективность нелинейного преобразования импульсной накачки в ВРМБ в многомодовом световоде очень высока — более 65% при низкой пороговой мощности 34 Вт.
Специфика нелинейных процессов в волоконных световодах наглядно проявляется при исследовании четырехфотонного смешения. При лазерной накачке волоконных световодов эффективны вынужденные четырехфотонные процессы, в результате которых два фотона накачки (уЫ) рождают фотоны на сток-совой (ус) и антистоксовой (уа) частотах в соответствии с законом сохранения энергии. В волоконных световодах фазовый синхронизм на значительных длинах взаимодействия может быть выполнен за счет компенсации материальной дисперсии межмодовой разведением волн накачки, стоксовой и антистоксовой компонент в разные моды, имеющие различные эффективные показатели преломления. Вынужденные четырехфо-тонные процессы в маломодовых волоконных световодах при соблюдении условия фазового синхронизма впервые наблюда-
лись при возбуждении световода излучением неодимового ла-зерав 36. В этой работе частотные сдвиги Ау = уа—уЫ = уЫ — ус были менее 400 см-1. Позднее наблюдались вынужденные четы-рехфотонные процессы с частотными сдвигами в несколько тысяч см1 37,38, причем в работе 3 7 частотные сдвиги достигали величины Ау == 5500 см-1 при длине световода в несколько метров и мощности накачки —1 кВт. Это позволяет получать при накачке неодимовым лазером генерацию в области 1,4—1,6 мкм, т.е. в области отрицательной материальной дисперсии кварцевого стекла.
Несомненный интерес представляют исследования четырех-фотонных процессов в волоконных световодах при бигармони-ческой лазерной накачке, открывающие новые возможности как с точки зрения создания перестраиваемых в широкой области источников узкополосного излучения, так и при спектроскопических исследованиях структуры фононных резонансов в аморфных средах [38], [40]. Наряду с интенсивной антистоксовой волной на частоте уа = 2у) — у2 (у; > у2), образующейся в ма-ломодовом световоде при выполнении условия фазового синхронизма, в 3 9 обнаружена интенсивная стоксова волна на частоте ус = 2у2 — у15 не требующая выполнения межмодового фазового синхронизма. Причем, если область перестройки антистоксовой волны, ограниченная рамками фазового синхронизма, относительно узка, то область перестройки стоксовой волны достигает 1000 см-1 и более.
Механизм обнаруженной стоксовой генерации при бигармо-нической накачке без выполнения условий фазового синхронизма можно представить следующим образом. На небольшой, порядка сантиметра для плавленого кварца, когерентной длине рождается слабая волна на стоксовой частоте ус = 2у2 — у1, которая затем на большой длине экспоненциально усиливается в соответствии с ВКР-усилением в поле накачки. Усиление волны ус происходит при условии соответствия разности частот накачек частоте фононных резонансов среды. Действительно, экспериментально полученная зависимость мощности стоксовой волны от величины Ау == ух—у2 неплохо соответствует спектру спонтанного КР для плавленого кварца (рис. 10).
Использование нелинейных явлений в стеклянных волоконных световодах открывает новые возможности для формирования импульсов света пикосекундного и фемтосекундного диапазонов с управляемыми параметрами. В отличие от фазовой модуляции обычных лазерных пучков в однородной нелинейной среде в одномодовом волоконном световоде уширение спектра не сопровождается изменением пространственной структуры пучка и перераспределением энергии по сечению из-за сопутствующих нелинейных явлений (самофокусировки, нелинейного поглощения и т.д.). Это позволяет достигнуть однородного по всему поперечному сечению уширения спектра лазерного импульса .
Совместное действие нелинейности показателя преломления и дисперсии световода может приводить к временному самосжатию импульсов и формированию оптических солитонов огибающей в области отрицательной дисперсии групповой скорости.
Распространение огибающей светового импульса описывается уравнением, которое называется параболическим или нелинейным уравнением Шрёдингера.
Аналитическое решение этого уравнения представляет большие трудности. Однако Захаровым и Шабатом показано, что это уравнение имеет солитонные решения для огибающей входного
импульса в виде гиперболического секанса, причем амплитуды импульсов будут кратными Ао, где Ао — амплитуда фундаментального солитона [44]. Фундаментальный солитон не меняет своей формы при распространении, если можно пренебречь потерями. Солитон второго порядка имеет удвоенную амплитуду. В этом случае решение является периодическим. Импульс сужается к минимальной ширине за полпериода и затем снова расширяется. Со-литоны более высокого порядка имеют кратную амплитуду от 4 0, и их поведение более сложно. Они испытывают не только сужение, но и расщепление (рис. 11). Хасегава и Тапперт в 1973 г. предсказали возможность солитонного режима в световодах 45. Авторы работы 46 экспериментально наблюдали солитонный режим распространения импульсов в световодах на основе кварцевого стекла.
В связи с возможностью использования солитонного режима распространения оптических импульсов в световоде для целей передачи информации в последние годы появилось большое количество работ, посвященных исследованию этого явления [47~57]. Было показано, что при солитонном распространении импульсов в волоконном световоде скорость передачи информации будет ограничиваться линейными оптическими потерями в световоде и нелинейным взаимодействием солитонов.
В работах [46],[47],[54] были предложены различные способы усиления солитонов для увеличения скорости передачи информации по волоконному световоду. Одним из наиболее интересных методов усиления солитонов в световодах является использование другого нелинейного явления — процесса вынужденного комбинационного рассеяния. Как показано в работе [54], использование процесса нестационарного ВКР в маломодовом волоконном световоде позволяет не только восстанавливать форму и энергию оптических импульсов при их нелинейном распространении по световоду, но и реализовать режим нелинейного преобразования солитонов [52-53].
В настоящее время использование высококачественных одномодовых световодов в качестве нелинейных фазовых модуляторов в схемах дисперсионного сжатия оптических импульсов позволило значительно продвинуться в проблеме формирования сверхкоротких импульсов света. Таким путем получены мощные пикосекундные импульсы в видимой [55-57] и ближней ИК области спектра [58-59]. В частности, в [55] путем сжатия исходного 110 фс импульса получены пока самые короткие импульсы света с длительностью всего- 12 фс. Максимальная степень сжатия — 80 раз — получена при сжатии 33 пс импульса в работе [56]. В [60] методом спектральной фильтрации выделены пикосекундные импульсы при совместном действии фазовой самомодуляции и ВКР.
Наличие области отрицательной дисперсии групповых скоростей при Х > 1,3 мкм в световодах на основе кварцевого стекла позволяет осуществить сжатие световых импульсов непосредственно в световоде. Таким образом в [61] осуществлено 27-кратное сжатие 7 пс импульсов на волне 1,55 мкм, а в [62-63] — более чем 100-кратное сжатие 30 пс импульсов, перестраиваемых в области спектра 1,5-1,6 мкм. Причем эффективное ВКР-преобразо-вание таких импульсов позволило получить одиночные импульсы без пьедестала длительностью 200 фс и мощностью 55 кВт [63].
5. заключение
Главные применения волоконной оптики базируются в настоящее время на использовании волоконных световодов на основе кварцевого стекла. Уровень технологии этих световодов таков,
что в промышленном производстве выпускаются высокопрочные световоды с широкой полосой пропускания и оптическими потерями, близкими к предельно низким, при этом минимальные потери составляют величину около 0,2 дБ/км в ближней ИК области спектра. Очень быстрыми темпами развивается волоконно-оптическая связь; особенно впечатляющими являются достижения в разработке широкополосных волоконно-оптических линий связи. Достаточно сказать, что в последние годы реализованы оптические системы передачи информации со скоростью в несколько Гбит/с на расстояния свыше ста километров без ретрансляторов. Разработка волоконно-оптических систем связи с гетеродинным приемом позволит увеличить длину безретрансляционного участка до нескольких сотен километров. Очень широкое применение найдут волоконно-оптические датчики. В настоящее время разрабатываются волоконные датчики вращения, акустических волн, температуры, магнитного поля, ионизирующих излучений и другие.
Однако для ряда применений, прежде всего, для волоконно-оптической связи, желательно иметь волоконные световоды с еще более низкими оптическими потерями.
Из рис. 6 видно, что положение и величина минимума фундаментальных потерь в стеклах определяется двумя главными механизмами, а именно: рэлеевским рассеянием, интенсивность которого спадает с длиной волны по закону Х-4 и краем инфракрасного поглощения. Если бы можно было найти материалы, у которых край инфракрасного решеточного поглощения сдвинут в длинноволновую область спектра, тогда в результате быстрого спада интенсивности рэлеевского рассеяния с длиной волны естественно ожидать сдвига минимума потерь тоже в длинноволновую область и уменьшения его величины. Сдвиг края инфракрасного решеточного поглощения в длинноволновую область спектра можно ожидать у материалов, состоящих из более тяжелых атомов. Действительно, расчеты показали, что имеется ряд материалов (стекол и кристаллов), в которых оптические потери в средней ИК области спектра (2-11 мкм) могут иметь величину 10-2-10-3 дБ/км.
Среди них флюоридные стекла с минимумом оптических потерь в области 3-4 мкм [64], халькогенидные стекла со спектральной областью минимальных потерь 5-6 мкм [65 66], а также кристаллы галогенидов металлов, имеющие минимальные потери в более длинноволновом диапазоне [67,68]. Возможность получения волоконных световодов с потерями, на 1-2 порядка более низкими, чем в световодах на основе кварцевого стекла, стимулировала интенсивные исследования в этой области [69-72].
В настоящее время в лабораторных условиях получены волоконные световоды на основе флюоридных и халькогенидных стекол с потерями порядка 40 дБ/км [73] и нескольких десятков дБ/км [71] в соответственно и поликристаллические световоды с потерями порядка 100 дБ/км на волне 10,6 мкм [74]. Хотя достигнутые потери на несколько порядков превышают предельно возможные, но быстрый прогресс в этом направлении позволяет надеяться на дальнейшее резкое снижение потерь в ИК-волоконных световодах.
Разработанные к настоящему времени ИК волоконные световоды перспективны для канализации мощного лазерного излучения (химических, СО- и СО2-лазеров) для технологических и медицинских целей, в датчиках температуры, в различных локационных приборах. Разработка ИК световодов с предельно низкими потерями позволит создать протяженные волоконно-оптические линии связи с длиной безретрансляционного участка до 1000 км.
Институт общей физики АН СССР
