Академик РАН Е.М.ДИАНОВ dianov@gpi.ru,
А.С.КУРКОВ kurkov@fo.gpi.ru,
НЦВО РАН, г. Москва

Волоконная оптика

Волоконная оптика является относительно молодой областью науки и техники, и её определение нельзя считать устоявшимся. Тем не менее мы попытаемся его дать.

Структура волоконного световода

Это область науки и техники, которая занимается изучением явлений, возникающих при распространении света в волоконных световодах; применением волоконных световодов и технологией их изготовления. Волоконный световод – это длинная тонкая нить, как правило, из стекла, имеющая сложную внутреннюю структуру. В простейшем случае световод состоит из сердцевины с показателем преломления n₁, оболочки с показателем преломления n₂ (при этом n₁ > n₂) и защитного покрытия. Сердцевина и оболочка образуют волноводную структуру, обеспечивающую распространение излучения, а внешнее покрытие (полимерное, металлическое и пр.) предохраняет световод от внешних воздействий.

Явление полного внутреннего отражения

Распространение света в волоконных световодах основано на явлении полного внутреннего отражения. Это явление наблюдается при переходе излучения из среды с большим показателем преломления (n₁) в среду с меньшим показателем (n₂). При углах падения меньше критического угла _с, где _с – угол между направлением распространения луча и нормалью к поверхности раздела сред, происходит преломление луча в соответствии с законом Снеллиуса (луч 1). При углах падения > _с наблюдается полное внутреннее отражение (лучи 2 и 3). Критический угол _с определяется соотношением sin _с = n₂/n₁.

Таким образом, если среду с повышенным показателем преломления на достаточно большом расстоянии окружить средой с меньшим показателем преломления, можно обеспечить волноводное распространение света за счёт явления полного внутреннего отражения.

Первая демонстрация волноводного распространения света связана с именем английского учёного Дж.Тиндаля (1820–1893 гг.), который наблюдал такое распространение в струе воды. При этом полное внутреннее отражение обеспечивалось тем, что вода имеет показатель преломления более высокий (1,33), чем воздух (1). Следует отметить, что в настоящее время существует премия Тиндаля, присуждаемая за выдающиеся достижения в области волоконной оптики.

К основным параметрам волоконного световода относятся диаметр сердцевины 2a, диаметр оболочки 2b, числовая апертура NA, оптические потери , длина L. В зависимости от типа волоконного световода диаметр серд-цевины может составлять от 1 до 100 мкм, диаметр оболочки – от 100 до 1000 мкм. Для световодов, используемых в оптических линиях связи, диаметр сердцевины около 10 мкм, оболочки – 125 мкм.

Понятие числовой апертуры связано с максимальным углом _c между лучом, введённым в световод, и осью световода, когда излучение «захватывается» волноводной структурой (_c = 90° – _с): Лучи, введённые в световод под углами больше _c, не испытывают полного внутреннего отражения, а преломляются и вытекают. На выходе волоконного световода излучение также сосредоточено в конусе с половинным углом _c.

Оптические потери, или поглощение, обычно выражаются в см^–1. Однако в стандартных волоконных световодах потери малы и обычно выражаются в дБ/км. При этом справедливо соотношение: 1 см^–1 = 4,3 • 10⁵ дБ/км. Длина L отдельных отрезков световода может составлять несколько десятков километров. Волноводные свойства волоконного световода зависят не только от его параметров, но и от длины волны распространяющегося излучения. Чтобы учесть этот фактор, вводится нормированная частота
V = 2a • NA/. Значение нормированной частоты, в частности, определяет модовый состав излучения в световоде. С формальной точки зрения, мода – это устойчивое состояние электромагнитного поля внутри световода, одно из решений уравнений Максвелла для заданной структуры. Условно моду световода можно определить и как траекторию распространения света. Если V < 2,4, то в световоде распространяется лишь одна мода. Световоды, в которых реализуется такой режим в ближней ИК-области, определяются как одномодовые. При V > 2,4 появляются моды более высоких порядков. Число мод при большом значении нормированной частоты порядка V²/2. Понятие «одномодовости» носит несколько условный характер, т.к. при уменьшении длины волны излучения одномодовый световод становится многомодовым.

На первом этапе своего развития (до начала 70-х гг. XX в.) волоконная оптика занималась разработкой волоконных световодов для подсветки труднодоступных объектов, передачи изображения, эндоскопии. Они имели большие оптические потери, порядка 1–10 дБ/м, поэтому длина используемых световодов не превышала нескольких метров. То есть волоконная оптика занимала свою, довольно ограниченную нишу, и её развитие можно было определить как вялотекущее. Ситуация начала меняться в 60-х гг. XX в. после появления лазеров. За это выдающееся открытие в 1964 г. была присуждена Нобелевская премия американскому учёному Ч.Таунсу (США) и нашим соотечественникам Н.Г.Басову и А.М.Прохорову. Именно изобретение лазеров предопределило новые применения волоконных световодов, важнейшим из которых является передача оптических сигналов на большие расстояния, или создание оптических линий связи.

Следует отметить, что история человечества – это и история развития средств связи, от сигнальных костров до спутников связи и трансокеанских оптических кабелей. Важной вехой в этой истории было изобретение братьями Шапп оптического телеграфа в 1794 г. Оптический телеграф представлял собой цепочку башен на дистанции прямой видимости между французскими городами Париж и Лилль, расстояние между которыми
225 км. Кодировка информации осуществлялась путём определённых положений набора рычагов, скорость передачи составляла около пятидесяти знаков в час. В 1839 г. была построена самая длинная (1200 км) линия оптического телеграфа Петербург–Варшава.

Затем в системы передачи информации пришло электричество. В 1837 г. американский художник и предприниматель Самюэль Морзе усовершенствовал электромагнитный телеграфный аппарат и изобрёл код, названный азбукой Морзе. В 1844 г. вступила в строй первая коммерческая телеграфная линия Вашингтон–Балтимор. В 1851 г. инженер Брет проложил первый подводный телеграфный кабель под Ла-Маншем. Изобретение гуттаперчи позволило изолировать провода от воды. В 1855–1857 гг. был проложен телеграфный кабель по дну Атлантического океана. Проект разработал американский бизнесмен Сайрус Филд. История этого достижения описана в рассказе С.Цвейга «Первое слово из-за океана». И хотя предпринимались отдельные попытки использовать оптический сигнал для передачи информации (в 1880 г. изобретатель телефона Александр Белл разработал фотофон – оптическую систему для передачи речевого сигнала через свободную атмосферу с помощью солнечного света), с конца XIX до конца XX вв. шло развитие систем передачи информации с использованием радиодиапазона. В 1888 г. Герц открыл электромагнитные волны и создал искровой передатчик. В 1895 г. А.С.Попов, а чуть позже, в 1896 г., Г.Маркони открыли радиосвязь – беспроволочную передачу сигналов с помощью радиоволн. В 1901 г. Г.Маркони осуществил радиотелеграфную передачу через Атлантический океан.

Следует отметить, что развитие радиосвязи сопровождалось освоением всё более высоких частот электромагнитного излучения, или укорочением длин волн. Это связано с тем, что, чем выше частота излучения, переносящего информацию (несущая частота), тем с большей частотой её можно модулировать информационными сигналами. Значит, повышается скорость передачи информации. Если для первых радиопередач использовались длины волн в сотни и тысячи метров, то при переходе в УКВ-диапазон длина волны составила метры. Использование металлических волноводов и коаксиальных кабелей позволило перейти в миллиметровый диапазон. Длина волны излучения в оптическом диапазоне порядка 1 мкм (0,001 мм), а значит, скорость передачи информации может быть больше на три порядка, чем в коаксиальных кабельных линиях. Именно поэтому появление лазеров сразу вызвало интерес в плане их применения в линиях связи.

В начале 60-х гг. XX в. были проведены эксперименты по оптической связи через атмосферу с использованием лазера в качестве передатчика сигнала. При этом проявились сложности такого способа. Атмосфера является неоднородной по оптической плотности из-за неравномерного нагрева, что приводит к дополнительной расходимости и искривлению лазерного луча. Такие атмосферные явления, как туман и осадки, практически прерывают лазерный луч, так же, как и птицы, и насекомые, попадающие на оптическую трассу. Как одно из возможных решений было предложено использовать линзовые линии. Такие линии представляли собой трубопроводы с системой линз и зеркал. Свет распространялся внутри трубы, защищающей линию от внешних воздействий, линзы использовались для коррекции лазерного пучка, «подфокусировки», зеркала – для его поворота. Понятно, что такая система является громоздкой, сложной и ненадёжной. Любые деформации трубы требуют перенастройки оптической системы. Поэтому естественным стал интерес к волоконным световодам как среде для передачи оптического сигнала.

В 1966 г. американские учёные Као и Хокхэм показали, что затухание 1000 дБ/км и более не является фундаментальным свойством волоконных световодов на основе кварцевого стекла, а обусловлено наличием в нём примесей. При очистке стекла от этих примесей можно получить затухание менее 20 дБ/км. Главным вопросом стала разработка технологии получения таких световодов. Одной из первых была применена технология «штабик–трубка». В стеклянную трубку вставляется стержень (штабик) из стекла с более высоким показателем преломления, затем сборка протягивается в нить. При этом трубка и штабик «варятся» по традиционным технологиям. Очень быстро выяснилось, что эти традиционные технологии не могут обеспечить необходимую чистоту стекла. Поэтому были разработаны технологии, основанные на осаждении из газовой фазы. За исходные реагенты были взяты хлориды (например, хлорид кремния SiCl₄, хлорид германия GeCl₄ и др.), способные подвергаться высокой очистке. При повышенной температуре эти соединения в атмосфере кислорода окисляются с образованием стеклообразных оксидов, например, по реакции SiCl₄ + O₂ = SiO₂ + 2Cl₂.

На рисунке показана схема одной из распространённых технологий – модифицированного химического осаждения из газовой фазы (MCVD-процесс), – когда окисление проводится внутри опорной трубы из кварцевого стекла: оксиды кремния, германия и других компонентов осаждаются на внутренней поверхности трубы. По окончании процесса трубу с осаждёнными слоями дополнительно нагревают, и она схлопывается в стеклянный стержень, получается так называемая заготовка.

Следующий важный технологический этап – вытяжка из заготовки волоконного световода, для чего используются специальные вытяжные башни. Схема вытяжки представлена на рисунке. Заготовка помещается в нагреватель и непрерывно продвигается в горячую зону по мере вытяжки световода, диаметр которого контролируется специальными устройствами и регулируется изменением температуры нагревателя. По пути к приёмному барабану на световод наносится внешнее покрытие. Как правило, оно полимерное, но для специальных применений может наноситься металлическое или углеродное. От качества вытяжки зависит такой параметр световода, как прочность. Стандартные волоконные световоды способны выдерживать нагрузку до 5 кг.

В 1970 г. в компании «Корнинг-Гласс» (США) таким путём были изготовлены световоды с оптическими потерями 20 дБ/км. В течение последующих десяти лет уровень оптических потерь снизился более чем в 100 раз, и достиг фундаментального предела 0,16 дБ/км на длине волны 1,55 мкм. Это соответствует ослаблению света в 2 раза на расстоянии 18 км.

Такие достижения в области технологии дали толчок бурному росту нового направления телекоммуникаций – волоконно-оптическим линиям связи. В линиях связи первого поколения для передачи сигнала использовался свет на одной длине волны, излучаемый полупроводниковым лазером. На расстоянии, соответствующем ослаблению сигнала примерно в 100 раз, в линию вставлялся ретранслятор, состоящий из фотоприёмника, электронного усилителя и полупроводникового излучателя, воспроизводящего первоначальный оптический сигнал. Переход на рабочую длину волны 1,55 мкм и разработка квантовых волоконных усилителей на основе световодов, легированных ионами эрбия, позволили упростить схему передающего тракта и довести скорость передачи информации до 40 Гбит/с.

Дальнейшие исследования показали, что по одному и тому же световоду возможна передача информации на многих длинах волн, так называемое спектральное уплотнение каналов. Волоконная линия стала включать в себя устройство для объединения излучений различных лазеров (мультиплексор) и устройство для их разъединения (демультиплексор) и подачи на различные фотоприёмники. Это позволило увеличить скорость передачи информации по одному световоду до 1–10 Тбит/с.

В настоящее время общая длина проложенных волоконных линий связи превышает 500 млн км. Ими соединены все развитые страны на всех континентах. Впервые в истории человечества возможности в передаче информации превысили его потребности: за 120 лет скорость передачи выросла от 0,1 бит/с для первых телефонных линий до 10 Тбит/с для волоконных линий со спектральным уплотнением. Однако информационные потребности общества будут расти, и уже сейчас рассматриваются возможности увеличения скорости передачи данных. Один из таких путей – расширение спектрального диапазона, используемого для передачи данных, от 1,53–1,61 мкм в настоящее время до 1,4–1,7 мкм к 2015 г. и 1,25–1,7 мкм к 2025 г. Можно ожидать, что скорость передачи информации достигнет 100 Тбит/с.

По мере развития волоконной оптики появились применения, не связанные непосредственно с передачей информации. Одним из таких применений являются фотоиндуцированные брэгговские решётки. Их получение основано на свойстве кварцевого стекла с добавками различных элементов изменять показатель преломления под воздействием УФ-облучения через боковую поверхность. Причём эти изменения «замораживаются» в стекле и остаются после снятия облучения. Если создать периодическое изменение показателя преломления на отрезке световода длиной порядка 1...10 мм, то в соответствии с соотношением _Б = 2n будет наблюдаться отражение излучения в узком (0,1...1 нм) спектральном интервале (здесь _Б – длина волны отражения, – период решётки). Для рабочего диапазона длин волн период решётки составляет около 0,5 мкм. Поэтому для записи решётки обычно используются интерференционные методы, когда на боковой поверхности световода складываются два пучка от лазера, излучающего в УФ-части спектра.

Брэгговские волоконные решётки

Одним из применений брэгговских волоконных решёток является их использование в качестве чувствительного элемента волоконно-оптических датчиков физических величин. Это применение основано на изменении длины волны отражения решётки при изменении температуры окружающей среды, а также под воздействием механических напряжений и деформации световода. Также решётки могут использоваться в качестве узкополосных спектральных фильтров. Но еще более широкое распространение эти элементы находят в волоконных лазерах в качестве зеркал, формирующих резонатор.

Схема работы лазера

Одним из самых ярких достижений волоконной оптики является разработка и создание волоконных лазеров. В обычном лазере в качестве активной среды используется кристалл или стекло, легированное ионами элемента, который люминесцирует при оптическом возбуждении. В качестве таких элементов наибольшее распространение получили редкоземельные металлы – неодим, иттербий, эрбий и др. Для оптического возбуждения применяются мощные лампы или полупроводниковые излучатели. Для получения генерации активный элемент помещается в резонатор, образованный двумя зеркалами – глухим и полупрозрачным, – через которое выходит излучение. Такие лазеры требуют юстировки зеркал и их жёсткой фиксации. Кроме того, существуют проблемы, связанные с нагревом активной среды.

Конструкция существенно упрощается при переходе к волоконному лазеру. В нём активным элементом является волоконный световод, сердцевина которого легирована активными ионами, как правило, тех же редкоземельных металлов. В качестве зеркал, формирующих резонатор, используются внутриволоконные брэгговские решётки с различными коэффициентами отражения, которые просто привариваются к активному световоду. Накачивается такой лазер малогабаритным полупроводниковым излучателем с волоконным выходом, который также приваривается к лазеру. Таким образом, получается компактное и лёгкое устройство, простое в эксплуатации из-за отсутствия механических юстировок, обладающее эффективным теплоотводом из-за большой площади боковой поверхности и высоким качеством выходного излучения, обусловленным волноводным характером его распространения. Все эти факторы делают волоконный лазер надёжным и стабильным источником излучения. Следует подчеркнуть, что за последние 15 лет максимальная выходная мощность волоконных лазеров выросла с 5 до 2000 Вт в непрерывном режиме, а спектральный диапазон их излучения простирается от 0,9 до 2,2 мкм. Это позволяет применять волоконные лазеры для обработки материалов (резка, сварка, сверление), для проведения хирургических операций, зондирования атмосферы, лазерной локации и пр.

Таким образом, можно заключить, что благодаря созданию волоконно-оптических систем связи впервые в истории человечества технические возможности обмена информацией превысили (в настоящее время) потребности человеческого общества. На базе бурного развития волоконной оптики возникли новые направления – волоконные лазеры, волоконно-оптические датчики, медицинские применения волоконных световодов и др. Волоконная оптика является молодой областью науки. Развитие этой области позволит совершить дальнейший прорыв как в области передачи информации, так и в других областях человеческой деятельности.

Евгений Михайлович Дианов окончил физфак МГУ в 1960 г. В 1960–1983 гг. работал в Физическом институте им. П.Н.Лебедева АН СССР, в 1983–1994 гг. – в Институте общей физики РАН. Сейчас работает в Научном центре волоконной оптики РАН. Евгений Михайлович – лауреат Государственной премии СССР (1974 г.) и Государственной премии РФ (1998 г.). Он является автором более 600 публикаций по лазерной физике и волоконной оптике. Доктор физ.-мат. наук, профессор, академик РАН. Женат, имеет двоих детей. Увлечения – чтение, оздоровительный бег.

Андрей Сергеевич Курков окончил физфак МГУ в 1980 г. В 1980–1983 гг. работал на физфаке МГУ, в 1983–1994 гг. – в Институте общей физики РАН. С 1994 г. работает в Научном центре волоконной оптики РАН. Имеет более 170 публикаций. Доктор физ.-мат. наук. Женат, имеет сына. Увлечения – история России, прогулки в лесу, горные лыжи.

ОТ РЕДАКЦИИ. Рекомендуем прочитать также:

Рандошкин В.В. Оптоэлектроника: волоконно-оптическая связь. – Физика («ПС»), 1997, № 19, 26.