Беседы о физике и технике

12. Что такое волоконная оптика

Пытались ли вы быстро связаться по телефону с нужным вам человеком в другом городе? Проявив терпение и выдержку, вы, безусловно, своего добьетесь и разговор состоится, но сплошь и рядом быстро сделать это вам вряд ли удастся.

Перегрузка существующих электрических линий связи ограничивает как количество одновременных разговоров, так и их качество. А если вы хотели бы не только поговорить, но и увидеть близкого вам человека?

РАЗГОВОР ПОЙДЕТ О СПОСОБАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ?

Передача информации и широкий обмен ею — одно из непременных условий жизни и деятельности современного человеческого общества.

Еще в XVIII в. для передачи сообщений использовали оптический телеграф, основанный на применении зеркал. Затем появились телеграф, телефон, радио, телевидение, сделав возможной связь, т. е. передачу информации, на любых расстояниях.

Не потеряли своего значения и даже, наоборот, получили развитие оптические каналы передачи информации, использующие направляющие системы: линзовые, зеркальные, диэлектрические.

В оптическом диапазоне в отличие от радиодиапазона: а) можно реализовать на одной несущей волне множество каналов связи; б) весьма затруднен перехват информации, передаваемой лучом; в) заметно уменьшается потребление энергии на питание приемопередающих устройств, уменьшаются их вес и габариты; г) увеличивается точность (например, для локационных измерений при дальности в 20 км точность составляет до 10^-8).

Говоря о передаче информации в оптическом диапазоне, следует иметь в виду, что наличие модуляторов и приемников излучения является непременным условием осуществления не только этого, но и любого канала передачи информации.

С изобретением лазеров — оптических квантовых генераторов — появилась новая возможность передачи практически неограниченных потоков информации. Однако уже первые опыты выявили, что поглощение оптического излучения в атмосфере из-за ее неоднородности, турбулентности и других особенностей, интенсивных осадков существенно ограничивает расстояние, на которое можно передавать информацию с помощью таких открытых систем. Мысль ученых обратилась к возможности создания так называемых закрытых оптических каналов связи — волноводов.

ЧТО ТАКОЕ СВЕТОВОД?

Для передачи оптических изображений применяют волноводы, выполненные в виде тонкой жилы или пучка волокон. Сначала это были волокна из стекла, а затем и из других прозрачных материалов.

Такие оптические волноводы получили название световодов. В 50-х годах нашего века родился новый раздел физики — волоконная оптика, получивший довольно широкое развитие в ряде областей науки и техники (медицина, машиностроение, связь и др.). Еще большие перспективы имеет в своем развитии волоконная оптика в ближайшем будущем.

При передаче информации по световоду задача заключается в том, чтобы удержать свет внутри диэлектрика и передать его на большие расстояния без существенных потерь.

ДАВАЙТЕ ВСПОМНИМ ЗАКОНЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА В ДИЭЛЕКТРИКАХ.

Особенности распространения света внутри диэлектрика могут быть продемонстрированы даже в школьных условиях на опыте, схема которого представлена на рис. 37.

Рис. 37. Луч света, направляемый через сосуд и попавший в струю воды, распространяется внутри струи, многократно испытывая полное отражение от ее поверхности

В этом опыте свет, испытывая полное отражение, распространяется внутри изогнутой струи воды. Напомним, что если луч света падает на границу двух прозрачных сред различной плотности, то он может испытывать преломление и отражение на этой границе (рис. 38, а). Если же угол падения луча равен или превышает некоторый угол, названный предельным, свет не выходит за пределы первой среды. Он либо распространяется внутри второй среды вдоль поверхности раздела сред (α_пад = α_пр), либо целиком отражается (рис. 38, б) от нее (α_пад > α_пр). Это явление известно нам как явление полного отражения света. Для стекла (крон), например, α_пр ~= 42°, для воды α_пр ~= 48°,5.

Рис. 38. Отражение и преломление света на границе двух прозрачных сред

РАЗВЕ СТЕКЛО — НЕ ИДЕАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВЕТОВОДА?

При использовании первых стеклянных световодов возникали серьезные трудности, связанные с недостаточной прозрачностью стекла.

Действительно, стоит посмотреть в торец обычного оконного стекла, чтобы убедиться в его непрозрачности, обусловленной примесями малых количеств железа и меди в стекле.

В состав даже самых чистых стекол, изготовляемых для астрономических и фотографических объектов, всегда входят заметные количества окрашиваемых примесей.

ИТАК, СВЕТ ПОПАЛ В ВОЛНОВОД…

Излучение, распространяющееся по волноводу, удобно представлять в виде совокупности парциальных волн, называемых модами.

Каждая мода удовлетворяет уравнениям электродинамики, полученным Максвеллом, и некоторым граничным условиям, связанным с геометрией и оптическими характеристиками волновода.

В волноводе полное число мод

N = 2πS/λ²

где S — площадь поперечного сечения волновода, а λ — длина волны излучения.

Как следует из приведенного соотношения, с уменьшением λ число мод быстро возрастает, а для уменьшения этого числа можно воспользоваться двумя путями. Во-первых, создать такие условия, чтобы значительная часть мод быстро затухала с расстоянием. Во-вторых, использовать волноводы с малой площадью поперечного сечения S. Такие одномодовые волноводы в оптическом диапазоне должны иметь диаметр порядка микрометров. Второй путь представляется наиболее привлекательным, так как практика как раз требует использования волноводов с малым поперечным сечением.

Однако волноводы с малым поперечным сечением пропустят и небольшую световую мощность. Использование большого числа тонких волноводов, скомпонованных в многожильный жгут, решает проблему сохранения мощности излучения.

Мы остановимся подробнее лишь на одном типе волокон — диэлектрическом — как наиболее перспективном виде оптических волноводов.

ОХАРАКТЕРИЗУЙТЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ

Диэлектрические волноводы получили широкое распространение. Их выполняют в виде пленок, стержней, толстых и тонких нитей (волокон) из прозрачного диэлектрика. На рис. 39 показано оптическое волокно в разрезе.

Рис. 39. Оптическое волокно в разрезе

Здесь 1 — сердцевина волокна диаметром d₁ и показателем преломления n₁, 2 — оболочка волокна (наружный диаметр d₂, показатель преломления n₂). Сердцевину волокна обычно изготовляют из высокопреломляющих тяжелых флинтов, тогда как для оболочки используют легкие кроны.

Показатели преломления n₁ и n₂ должны удовлетворять условию

n₁ > n₂

Диаметр сердцевины может в широком интервале: от миллиметров до микрометров.

Направляющие свойства оптических волокон обусловлены, как мы уже установили ранее, полным отражением света от поверхности, разграничивающей сердцевину волокна и его оболочку.

Если d₁ >> λ, то волокно называют толстым, а при d₁ ~< λ — тонким.

Волокна могут быть собраны в жгуты, в которых содержится 10⁶ и более отдельных волокон. При плотной упаковке волокон в жгуте возможно просачивание световой энергии из одного волокна в другое. Хотя этому препятствует оболочка волокна, но более надежно предохраняют от просачивания света наносимые на волокна специальные покрытия.

ЧЕМ РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В ТОЛСТОМ ВОЛОКНЕ ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА В ТОНКОМ ВОЛОКНЕ?

Распространение света в толстом волокне подчиняется законам геометрической оптики. Для простоты будем рассматривать световые лучи, которые распространяются в диаметральных плоскостях, пересекая ось волокна (меридиональные лучи). На рис. 40 изображен один из меридиональных лучей, падающих на границу между сердцевиной и оболочкой волокна под предельным углом полного отражения α₂. Угол α, под которым луч падает из внешней среды на торец волокна, носит название максимального угла падения входного луча.

Рис. 40. Распространение света в толстом волокне

Если I₀ и I₁ — интенсивности соответственно входящего и выходящего из волокна световых потоков, то Т = I₁/I₀ называют светопропусканием волокна. Оно зависит от ряда факторов: степени прозрачности сердцевины, волокна и оболочки, отражающей способности поверхности раздела сердцевины и оболочки, потерь отраженного света на торцах волокон. Результаты, полученные для светопропускания и других характеристик прямого волокна, оказываются справедливыми и для изогнутого волокна, если его радиус изгиба R удовлетворяет эмпирическому условию R/d₁ > 60. Элемент, такого изогнутого световода представлен на рис. 41.

Рис. 41. Передача изображения в световоде

Исследуя распространение света в случае тонких волокон, уже необходимо использовать представления волновой оптики и рассматривать картину распространения по волокну различных мод. Для достаточно тонких волокон (d₁ ~= λ) в соответствии с ранее приведенным выражением для N может быть реализован одномодовый режим. Условие осуществления одномодового режима может быть представлено в виде

Следовательно, для получения одномодового режима необходимо уменьшить не только диаметр волокна, но и разницу в показателях преломления сердцевины и оболочки.

Следует отметить существенное различие в распространении света в тонких и толстых волокнах. Так как при полном отражении интенсивность светового поля в среде с меньшей оптической плотностью не равна нулю и уменьшается по мере удаления от границы раздела, но в тонком волокне часть световой мощности распространяется не по сердцевине, а по оболочке. И в тонких волокнах в отличие от толстых доля световой мощности, распространяющейся в оболочке, весьма существенна.

Если в толстых волокнах светопропускание определялось прозрачностью в основном сердцевины волокна, то в тонких волокнах более важную роль играют свойства оболочки волокна.

ГДЕ ПРИМЕНЯЮТ ОПТИЧЕСКИЕ СВЕТОВОДЫ?

За короткое время, прошедшее после создания первых образцов световодов, проблема из научной перешла в техническую. Началась разработка световодных кабелей и аппаратуры (источников и приемников излучения и др.), которые удовлетворяли бы практическим целям передачи информации на значительные расстояния. Появились и так называемые активные волокна, способные усиливать проходящее через них излучение.

Как звуковая волна в переговорной трубке или трубе духового музыкального инструмента от источника его возникновения передается к слушателю, так и свет бежит по световоду, неся информацию либо в виде изображения тех или иных объектов, либо закодированную цифровую информацию.

Первое применение световоды получили в медицине. Появилась возможность для просматривания желудка и других внутренних органов вводить туда тонкие жгутики из двух световодов (по одному подают свет, а по другому — изображение рассматриваемого объекта). Световоды используют также в технике, с их помощью рассматривают внутренние части машин, недоступные для визуального осмотра.

Использование в качестве световодов диэлектриков с оптическими свойствами более высокими, чем у стекла, сделало световоды серьезными конкурентами традиционным линиям связи (в тех случаях, когда речь не идет о связи между движущимися объектами). Это относится прежде всего к системам промышленного контроля и управления, а также низовым телефонным сетям внутри ЭВМ.

КАКОВЫ ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ?

Наибольший эффект применение волоконно-оптических линий связи (из-за их помехоустойчивости, малого веса, будущей дешевизны) даст там, где может быть использована их большая пропускная способность.

Сюда относятся прежде всего внутриобъектные системы, например самолетные, где решающими являются помехозащищенность и вес системы. Эти же показатели привлекают конструкторов корабельных систем и систем передачи информации между блоками в электронных вычислительных машинах. Не исключено применение световых кабелей для телевидения, передачи через абонентский телевизор изображений газетных, журнальных и книжных страниц из библиотек, учетных центров и специальных информационных служб.

Соединив кабельное телевидение с видеотелефонной сетью, можно обмениваться визуальной информацией, а магнитная лента позволит абоненту использовать информацию, полученную в его отсутствие.

Соединив световодными кабелями автоматические телефонные станции не только внутри городов, но и между городами, осуществив трансляцию по ним телевизионных передач, мы получим колоссальную экономию массы дефицитных материалов, сократим расходы на оборудование и содержание ретрансляционных станций.

Развитие волоконно-оптических систем передачи информации приведет к существенной перестройке измерительных и управляющих комплексов.

Вместо электрических микрофонов появятся оптические, уже разрабатываются разнообразные подобные приборы, приспособленные для присоединения к свето- водным кабелям.

Применение гибких световодов поможет передаче достаточно больших мощностей или импульсов света с большой энергией, тем самым повысит возможности лазерной технологии и медицины.

ЧТО ТАКОЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ?

Дальнейшее развитие волоконной оптики привело к созданию принципиально новых приборов — оптико- электронных приборов, или ОЭП.

Их применяют там, где возможности человека ограничены (при работе в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах в области недостаточной чувствительности глаза), и там, где человек по какой-то причине находиться не может (в условиях высоких температур и радиационной опасности). В этих устройствах мы имеем дело не только со световыми сигналами и их передачей, но и с взаимодействием световых лучей с электрическим полем, т. е. взаимодействием фотонов и электронов.

Большие возможности перед ОЭП открылись после создания лазеров. Часто ОЭП предназначаются для решения тех же задач, где используют и однотипные по назначению радиоэлектронные приборы. Однако радиоэлектронные и оптико-электронные приборы работают в различных диапазонах спектра электромагнитных волн.

Итак, оптико-электронными называют приборы, в которых информация об исследуемом или наблюдаемом объекте переносится оптическим излучением, а ее первичная обработка сопровождается преобразованием энергии излучения в электрическую энергию.

В обобщенную схему ОЭП входят источник излучения, оптическая система, приемник излучения и выходной блок. Источник излучения создает материальный носитель информации — поток излучения. В некоторых случаях источник излучения дополняют передающей оптической системой, которая направляет поток на исследуемый объект или непосредственно в приемную оптическую систему.

Приемная оптическая система собирает поток, испускаемый наблюдаемым объектом или отраженный от него, формирует этот поток и направляет на приемник излучения. Приемник превращает сигнал, переносимый потоком излучения (оптический сигнал), в электрический.

Выходной блок (система вторичной обработки информации) формирует сигнал, по своим параметрам удовлетворяющий требованиям исполнительной автоматической системы.

ИСПОЛЬЗУЮТ ЛИ ВОЛОКОННУЮ ОПТИКУ В ЭВМ?

Уже созданы электронно-вычислительные машины, все элементы которых работают на лучах света, обмениваясь ими через нити — световоды. Имеются и автоматические телефонные станции, на которых нет ни одного электрического или электромагнитного реле.

По оптико-электронным линиям можно передавать и телефонный разговор, и программу цветного телевидения, и любой другой вид информации.

ЧТО ДАЕТ СОЕДИНЕНИЕ ЛАЗЕРА С ВОЛОКОННОЙ ОПТИКОЙ?

Лазерные лучи когерентны, поэтому оптико-электронные системы, соединенные с лазером, обладают колоссальной информационной емкостью и четкой направленностью сигнала. Достаточно сказать, что один лазерный луч эквивалентен 200 телевизионным каналам.

Волоконная оптика — одна из самых молодых наук современности, наука-младенец, и перспективы, открывающиеся сегодня перед ней, — это лишь незначительная часть того, что может возникнуть и возникнет в недалеком будущем.