0,015CM (ддБ) Пространственная частота, см~

Рис. 2.6. Спектр мощности при колебаниях диаметра сердечника оптического волокна

пространственной частоты относительно этой разности резко уменьшаются, т. е. получается прекрасное оптическое волокно с двойным лучепреломлением, которому не свойственно возникновение связи между модами. Суш,ествует два вида оптических волокон с двойным лучепреломлением:

1) волокно с распределением, а точнее, с асимметрией распределения, коэффициента преломления, что вызывает разность Др (двойное лучепреломление, обусловленное геометрией);

2) волокно напряженного типа, в котором разность Др возникает вследствие асимметричного распределения механического напряжения в сердечнике (двойное лучепреломление, обусловленное механическим напряжением).

На рис. 2.7 показаны сечения типичных оптических волокон с двойным лучепреломлением. Волокна на рис. 2.7, о, б относятся к типу с распределением коэффициента преломления, а на рис. 2.7, в, г - к напряженному типу. Необходимо отметить, что в волокнах с распределением коэффициента преломления возникает также и асимметрия напряжения сердечника, т. е. «чистого» типа волокна с распределением коэффициента преломления не существует.

Основными параметрами оптических волокон с двойным лучепреломлением являются коэффициент двойного лучепреломления мод

В = АР/Й

(2.12)

и длина интерференционны;? биений, создаваемых модами НЕп и НЕЬ,

2«

(2.13)

Если в оптическое волокно с двойным лучепреломлением ввести под углом 0 к оси волокна линейно поляризованный луч, то, как показано на рис. 2.8, внутри волокна состояние поляризации волны будет периодически изменяться. Период повторе-

Рис. 2.7. Оптическое волокно с двойным лучепреломлением: а - с эллиптическим сердечником; б - с боковыми выемками или туннелями; в - с сохранением поляризации и пониженным поглощением (PANDA); г -с эллиптической оболочкой

Рис. 2.8. Периодическое изменение состояния поляризации в оптическом волокне с двойным лучепреломлением

ния этих состояний -это длина биений, которую можно измерить, например, наблюдая снаружи рассеянный свет (от сердечника волокна). Если будет известна длина биений, то с помощью формул (2.12) и (2.13) можно найти коэффициент В двойного лучепреломления мод и разность Др постоянных распространения. Параметры Др, В и L характеризуют разность фазовых задержек обеих поляризованных мод. Временная разность групповых задержек мод обеих поляризованных волн (разность времени распространения сигналов)

(2.14)

называется дисперсией моды поляризованной волны.

Обычно в оптическом волокне с двойным лучепреломлением В=(1...6) • 10- а Тр = 0,3...2,0 нс/км.

Важными характеристиками волокна с устойчивой поляризацией являются характеристики потерь и поляризационные. Последние определяются степенью перекрестных помех. При этом, если на входе вдоль главной оси волокна возбужден линейно поляризованный свет, то на выходе может обнаружиться частичное «переливание» мощности в ортогональную моду. Отношение мощностей этих двух мод выражается в децибелах. Среди реальных волокон с устойчивой поляризацией, обладаю-

щих одновременно низкими потерями и малыми перекрестными помехами, известно оптическое волокно типа PANDA, у которого перекрестные помехи на 1 км длины составляют 32,8 дБ, а потери мощности- 0,25 дБ (для ?\.= 1,55 мкм).

В противоположность описанным выше оптическим волокнам с двойным лучепреломлением, передающим линейно поляризованную волну с сохранением ее поляризации (оптические волокна с единственной линейно поляризованной волной), имеются волокна, основанные на совершенно отличных принципах и сохраняющие круговую поляризацию. В них используется разность постоянных распространения волны с правой круговой поляризацией (мода HEfi) и волны с левой круговой поляризацией (мода НЕп), обусловленная скручиванием оптического волокна. Подобные волокна называются оптическими волокнами с единственной волной круговой поляризации. Эти волокна характеризуются разностью бр постоянных распространения моды НЕп и моды НЕп пропорциональной степени скручивания ф (в оборотах на метр) оптического волокна, т. е.

(2.15)

где а - коэффициент, характеризующий вращение плоскости поляризации; в кварцевом стекле, а«0,07.

Следовательно, если симметричное одномодовое оптическое волокно подвергнуть скручиванию, то возникает разность между

Р+ и р- и благодаря уменьшению связи между модами НЕп

и НЕп получается волокно, передающее единственную волну с круговой поляризацией.

Одно из преимуществ такого оптического волокна перед волокном с единственной линейно поляризованной волной - крайне малая дисперсия моды поляризованной волны, выражаемая как

АР

2(1-а) ф

(2.16)

где Хр - дисперсия моды поляризованной волны волокна до его скручивания.

Например, при 4р=(1/5)-2п рад/м, ф=10-2п рад/м получается Трс = Тр/100, т. е. дисперсия моды поляризованной волны оптического волокна с единственной волной круговой поляризации значительно меньше. Однако волокно с единственной линейно поляризованной волной отличается устойчивостью поляризации относительно возмущений в волокне, поскольку его коэффициент двойного лучепреломления p = 4p/fe= (1... 6) X Xl0- в то время как для волокна с единственной волной кру-

0,6 0,7 0,8 0,3 1,0 1,1 Длина бопны, шм

Рис. 2.9. Зависимость потерь от длины световой волны в оптическом волокне из многокомпонентного стекла

0,6 0,7 0,в Длина Волны, тм

Рис. 2.10. Зависимость потерь от длины световой волны в пластмассовом оптическом волокне с сердечником из полиметилметакрилата

даже при фтах =

говой поляризации бр г = афХ/л;~ 1 • Ю" 100 об/м.

2.3.4. Некварцевые волокна. Кроме кварцевых оптических волокон имеются многокомпонентные стеклянные, пластмассовые, инфракрасные и другие волокна. Основное преимущество многокомпонентных стеклянных и пластмассовых волокон перед кварцевыми заключается в их малой стоимости. Инфракрасное же волокно отличается меньшими по сравнению с кварцевым потерями в области к>2 мкм, где кварцевые волокна непрозрачны. Далее остановимся на кратком рассмотрении CBOiiCTB некварцевых волокон.

Многокомпонентное стеклянное волокно. Изготовляется это волокно из стекла на основе Si02 с включением ЫагО, СаО, СеОг, LiO, MgO и других компонентов. Многокомпонентное стекло по сравнению с кварцевым имеет меньшую температуру плавления (примерно 1400 °С), его можно плавить в тигле, из которого целесообразно и вытягивать волокно. Поскольку коэффициент преломления многокомпонентного стекла больше, чем у кварцевого, то легко получить оптическое волокно с большой числовой апертурой (NA~0,5), что является его преимуществом. Кроме того, при вытягивании волокна из тигля можно, изменяя диаметр отверстия тигля, регулировать диаметр сердечника. Поэтому волокна из многокомпонентного стекла наиболее пригодны для использования в системах передачи со све-тодиодом в качестве источника света.

На рис. 2.9 приведена зависимость потерь в многокомпонентном волокне от длины волны света. По сравнению с потерями в волокнах из кварцевого стекла (см. п. 2.4.1) здесь ситуация хуже. При длине волны 0,8 мкм потери около 4 дБ/км,

при 1 мкм-5... 10 дБ/км. Увеличение потерь обусловлено поглощением света примесями (результат недостаточной чистоты сырья для стекла), а также загрязнениями от тигля (ионы 0Н~ и ионы металлов, например железа).

Пластмассовое волокно. Здесь в качестве материала сердечника используется в основном полиметилметакрилат РММА • или дейтеридный, а для оболочки - фторполимеры. Полиметил-метакрилату присущи аморфные свойства, а поскольку эффект анизотропии для боковых цепей полимера слаб, то этот материал обладает хорошими бптическими характеристиками, пригодными для датчиков.

В процессе изготовления пластмассового волокна сначала производится полимеризация материала для сердечника, а оболочкой сердечник покрывается одновременно с вытягиванием волокна. Для повыщения пластичности и гибкости производится линейное непрерывное вытягивание волокон, что способствует определенной ориентации молекул.

Факторы, обусловливающие потери в пластмассовых волокнах, делятся на внутренние (собственные), связанные с материалом сердечника, и внещние, зависящие от технологии полимеризации и техники вытягивания волокна. Обычно у органических полимеров поглощение в инфракрасной области происходит за счет колебаний молекул С-Н, а в ультрафиолетовой области-за счет электронных переходов. В волокне из дейте-ридного полиметилметакрилата все соединения С-Н заменены на соединения С-D (дейтерий), поэтому поглощение за счет колебаний молекул сдвигается в сторону более длинных волн светового диапазона. Благодаря использованию этого принципа потери при переходе из области видимого света в ближнюю инфракрасную значительно снижаются (рис. 2.10).

Что касается внешних факторов потерь, то различаются

1) рассеяние, которое обусловлено пузырьками, возникающими при полимеризации, и примесями, попадающими извне в процессе линейного вытягивания или термического крекинга;

2) рассеяние, которое обусловлено нерегулярностью ориентированного двойного лучепреломления, возникающей при вытягивании вследствие неровностей граничного слоя между сердечником и оболочкой.

Пластмассовые волокна имеют большую (около 0,5) числовую апертуру и оптимальны для систем, где в качестве источника света используется светодиод.

Инфракрасное волокно. Это оптическое волокно с пониженными потерями в области инфракрасных волн длиной от 2 до 10 мкм. В качестве материала для сердечника таких волокон используются фтористые (2гр4-ВаРг-LaFs-YF3-AIF3-LiF) и халькогенидные (AsS) стекла или галогенированные кристаллы (CsBr, TiBr).

I 1000

Рис. 2.11. Зависимость потерь от длины световой волны в оптическом волокне из фтористого стекла

Дпина болны, мкм

Оптическое волокно с сердечником из фтористого стекла получается в результате расплавления стекла в обычном тигле, отливки заготовки и вытягивания ее. Основные причины увеличения потерь при передаче в волокне - рассеяние (обусловлено микрокристаллами и фазовыми включениями, появляющимися в процессе обработки) и поглощение из-за наличия примесей. На рис. 2.11 приведена зависимость потерь от длины волны. Благодаря уменьшению потерь, обусловленных микрокристаллами, общие потери на длине волны 2,55 мкм снижаются до 3,8 дБ/км.

Халькогенидные стекла и галогенированные кристаллы прозрачны для света с длиной волны примерно до 10 мкм. Волокна из этих материалов используются для передачи световой энергии СОг-лазеров (10,6 мкм) и СО-лазеров (5,3 мкм), нашедших широкое применение.

Среди инфракрасных волоконных измерителей известны волоконные радиационные термометры, системы для наблюдения на их основе тепловых изображений, волоконные спектральные анализаторы и др. Поскольку в излучении тел с низкой температурой преобладают составляющие с большой длиной волны, для передачи этого излучения предпочтительны кристаллические волокна, а в области температур 200 °С и выше можно использовать фтористые стекла.

2.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Знание физических характеристик волокна необходимо при использовании его в качестве чувствительного элемента. Дисперсионные свойства различных оптических волокон уже рассматривались в § 2.3, поэтому здесь о них ничего не говорится.

2.4.1. Потери. Причины потерь в кварцевых оптических волокнах можно классифицировать следующим образом: