Волоконная оптика – раздел оптики, в котором изучаются распространение оптического излучения по волоконным световодам (ВС) и возникающие при этом явления.

Волоконная оптика возникла в 50-х гг. XX века. В первые 20 лет развития в качестве элементов волоконной оптики использовались главным образом жгуты световодов (с регулярной и нерегулярной укладкой) длиной порядка нескольких метров. Материалом для изготовления таких ВС являлись многокомпонентные оптические стёкла; пропускание световодов в видимой области спектра составляло 30–70% на длине в 1 м. Низкий коэффициент пропускания обусловлен затуханием света в стекле из-за большой концентрации примесей. Числовая апертура световодов составляет величину 0,5–1. Наиболее широкое применение для освещения труднодоступных объектов и для передачи изображений жгуты световодов нашли в приборостроении, в частности для техники и медицинской эндоскопии. В 70-х гг. XX века произошло второе рождение волоконной оптики, когда были разработаны ВС на основе кварцевого стекла с оптическими потерями ~1 дБ/км в ближней ИК-области спектра. (Пропускание таких световодов составляет ~50% при длине световода в несколько км). Эти световоды используются в системах дальней оптической связи, в бортовых системах связи, системах передачи телеметрической информации, в датчиках различных физических полей (магнитного поля, температуры, вращения, акустических волн) и др.

Волоконный световод в простейшем варианте представляет собой длинную гибкую нить, сердцевина которой из высокопрозрачного диэлектрика с показателем преломления n₁ окружена оболочкой с показателем преломления n₂ < n₁.

Характер распространения оптического излучения по ВС зависит от его поперечных размеров и профиля показателя преломления по сечению. Так, например, число типов колебаний (мод), которые могут распространяться по ВС для заданной длины волны излучения, пропорционально квадрату диаметра сердцевины 2а и разности показателей преломления сердцевины и оболочки . Уменьшая произведение этих величин, можно добиться распространения по световоду лишь одной моды. В этом случае ВС называется одномодовым. Имеется много типов структур ВС, однако к 80-м гг. XX века наибольшее распространение получили три типа ВС (рисунок 1): многомодовые со ступенчатым профилем показателя преломления, многомодовые с градиентным профилем показателя преломления и одномодовые. В одномодовых ВС обычно 2а ≈ 5–10 мкм (для ближнего ИК-диапазона), в многомодовых – от нескольких десятков до нескольких сотен мкм. Разность Δn для многомодовых световодов составляет ~1 – 2%, для одномодовых – несколько десятых долей процента. Полный диаметр световодов составляет ~10²–10³ мкм.

Распространение света по ВС обусловлено полным внутренним отражением света на границе сердцевина–оболочка. Лучи, падающие на границу сердцевина–оболочка под углом θ<θ_кр, где , испытывают полное внутреннее отражение, приводя к зигзагообразному распространению света вдоль световода (рисунок 2). При этом угол падения луча на торец световода составляет n₁θ.

Меридиональные лучи, падающие на границу сердцевина–оболочка под углом >θ_кр (прерывистая линия на рисунке 2), частично отражаясь на границе раздела, преломляются в оболочку и поглощаются внешним поглощающим покрытием. Следовательно, угол является мерой способности ВС захватывать свет, и синус этого угла называется числовой апертурой ВС.

Лучевой подход правильно отражает основыне особенности распространения света в многомодовых ВС, для которых 2а>>λ. Однако полную картину распространения света по ВС даёт волновая теория, допускающая распространение по нему лишь дискретного набора мод.

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей (10¹⁴ Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10¹² бит/с или Терабит/с. Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.

 

Затухание светового импульса в оптоволокне неоднородно для разных длин волн. Зависимость коэффициента затухания от рабочей длины волны приведена на рисунке 1. Данная зависимость имеет три минимума, называемые окнами прозрачности. Исторически первым было освоено первое окно прозрачности на рабочей длине волны 0,85 мкм.

Первые полупроводниковые излучатели (лазеры и светодиоды) и фотоприемники были разработаны именно для данной длины волны. Коэффициент затухания в первом окне значителен и составляет единицы дБ/км. Позднее были созданы излучатели и фотоприемники, способные работать на больших длинах волн (1,3 и 1,55 мкм). Современные системы связи обычно используют второе или третье окно с малыми коэффициентами затухания. Современная технология позволяет получить оптические волокна с коэффициентом затухания порядка сотых долей дБ/км.