ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД Российский патент 1996 года по МПК G02B6/22 

Изобретение относится к оптоэлектронике, волоконной оптике и может быть использовано для волоконно-оптических линий связи, в авиации, космонавтике и народном хозяйстве в областях: радиоэлектронике, медицине, машиностроении.

Известны световоды [1] состоящие из сердечника, оболочек из полимеров и имеющие коэффициент преломления оболочки меньше или равной коэффициенту преломления сердечника.

Недостатком являются повышенные потери из-за паразитных волн, уходящих из световода, повышенная дисперсия и узкая полоса частот, низкие: прочность, температуростойкость и помехоустойчивость.

Наиболее близким аналогом к изобретению является волоконный световод [2] содержащий сердечник, световодный слой, расположенный на поверхности сердечника и выполненный с показателем преломления, большим показателя преломления сердечника, защитную оболочку.

Недостатком являются высокие потери излучения за счет рассеяния в оболочке, низкая помехозащищенность от внешних шумов, низкая механическая прочность и температуроустойчивость.

Целью изобретения является повышенная помехозащищенность от внешних шумов и повышенная механическая прочность, повышенная плотность энергии передаваемой по световоду, отсутствие потерь излучения из-за рассеяния в оболочке, высокая температуростойкость.

Для осуществления цели на поверхности сердечника световодный слой выполнен толщиной h, удовлетворяющей условию
h=0,5 5•λ •(0,5•N)^0,5, где λ- длина волны излучения;
N число мод излучения, распространяющихся в световодном слое, защитная оболочка выполнена в виде напыленной на световодный слой пленки металла с коэффициентом температурного расширения, равным коэффициенту материала сердечника или близким ему.

На фиг. 1-3 показано предлагаемое устройство.

Волноводный световод состоит из сердечника 1, световодного слоя 2, защитной оболочки 3 из напыленной пленки металла.

Волоконный световод работает следующим образом (фиг. 2). На входную апертуру 4 поступает излучение 5, под углом к оси световода распространяется мода 6 излучения, внутри световодного слоя 2 происходит распространение N мод излучения за счет полного отражения от зеркальной поверхности металлизированного покрытия 3 от границы области с более низким коэффициентом преломления сердечника, прошедшая мода излучения распространяется по оболочке, внешние помехи 7 экранируются металлизированным покрытием.

Обоснование функционирования световода имеет следующий вид. Процессы распространения излучения в световоде опираются на соотношения показателей преломления среды распространения излучения и окружающих оболочек. В световоде канализируется направленная волноводная мода или выходят из оболочки излучательные, радиационные моды.

На фиг. 3 приведено схематичное расположение мод в многослойной световодной структуре. На плоскую поверхность световедущего слоя 2 поступает излучение под углом θ, часть света отразится от торцовой поверхности под углом, равным углу падения θ, а преломленная волна попадет в волноводный слой под углом преломления θ_t, связанным с углом θ законом преломления:
sin θ=n_в •sin θt.

Критический угол падения, больше которого наступает полное внутреннее отражение, зависит от соотношения показателей преломления материалов по обе стороны от поверхности раздела. Для верхней и нижней границ раздела при n_вг≠n_нг эти углы различаются и соответственно составляют:
θ_нг=arc sin n_n/n_в;
θ _вг=arc sin n_o/n_в.

Если угол падения луча на поверхность световода θ_в меньше θ_вг, как и θ_нг, полного внутреннего отражения не происходит ни на одной поверхности волноводного слоя. Свет будет частично отражаться от верхней его границы и частично преломляться, выходя в покровный слой или окружающее пространство. Отраженный от верхней границы свет, подойдя к нижней поверхности раздела, также частично отразится в волноводный слой, а частично преломится в сердечник. При θ больше как θ_нг, так и θ_вг, луч, попавший в волноводный слой, испытает внутреннее отражение не только на верхней, но и на нижней его поверхностях (волноводная моде) и будет распространяться по волноводу. Для образования распространяющейся в волноводном слое световодном слое световой волны, кроме внутреннего отражения, должно выполняться также условие согласованных фаз: фазовые сдвиги, накапливающиеся после двух отражений от верхней и нижней поверхностей волноводного слоя, должны быть кратными 2n (если нет, волны интерферируют так, что гасят сами себя). Решение характеристического уравнения условия согласованности светового поля дает решение, согласно которому для данной длины волны λ существует некоторая минимальная (критическая) толщина h_кр, соответствующая только одной волноводной моде
h_кр= 0,25 •λ•(n2слоя

-n2серд)^0,5, если h меньше h_кр, канализации света в волноводном слое не происходит, при увеличении h по сравнению с h_кр появляется возможность существования двух, трех и т.д. волноводных мод. Для средств связи обычно стремятся использовать одномодовое волокно, т.к. межмодовая дисперсия отсутствует и полоса пропускания достигает Гигагерц. Производство таких волокон очень сложно и дорогостояще, т.к. традиционно используется центральная жила в качестве световода и она должна быть достаточно тонка (3-5 мкм) для прохождения волноводной моды. В предлагаемом световоде излучение распространяется в световодном слое на поверхности сердечника за счет образования слоя с более высоким коэффициентом преломления. Используется эффект распространения излучения в плоской волноводной структуре. Коэффициент преломления излучения определяется наличием свободных электронов в среде, изменяя концентрацию в веществе можно регулировать коэффициент преломления. При этом значительно упрощается технология изготовления такой структуры на поверхности сердечника, возможно использование отработанных пленочных технологий, вакуумной техники и т.д. Световодный слой возможно создать ионами и т. д. Одновременно происходит экранирование излучения внутри световода, в то время как в обычном случае происходит высвечивание ряда мод наружу. При преломлении излучения на поверхности раздела сред не происходят потери за счет проникания в соседнюю оболочку. Происходит увеличение передаваемой энергии по световоду, так увеличивается коэффициент ввода в световод: М=1+2r/h, где r радиус сердечника;
h толщина светового слоя.

При величине r=50 мкм, h=2 мкм, тогда выигрыш по сравнению с традиционным в 51 раз. При увеличении энергии, передаваемой по световоду, возможно его жидкостное охлаждение за счет металлизированного покрытия. Металлизированное покрытие с хорошей помехозащищенностью создает прочное защитное покрытие, позволяющее использовать волокно в агрессивной, высокотемпературной среде, нанесение ферромагнитного покрытия позволит эффективно экранировать от магнитных полей. Коэффициент температурного объемного расширения металлизированного покрытия близок или равен коэффициенту материала сердечника и его близость определяется промежутком значений разности коэффициентов материала сердечника и световодного слоя. Возможные значения разности определяются известными: прочностью на разрыв и сжатие используемых материалов, минимизацией температурной деформации и повышением механической прочности волокна.

Необходимость и актуальной создания данного световода подтверждаются увеличивающимся объемом и скоростью обмена информации, повышающимися требованиями к помехоустойчивости и уменьшающимися ресурсами стратегических материалов.

Использование: волоконно-оптические линии связи. Сущность изобретения: волоконный световод содержит сердечник, световодный слой, расположенный на поверхности сердечника и выполненный с определенной толщиной и показателем преломления, большим показателя преломления сердечника, и защитную оболочку, выполненную в виде напыленной на световодный слой пленки металла с коэффициентом температурного расширения, равным коэффициенту материала сердечника или близким ему. 3 ил.

Волоконный световод, содержащий сердечник, световодный слой, расположенный на поверхности сердечника и выполненный с показателем преломления, большим показателем преломления сердечника, и защитную оболочку, отличающийся тем, что световодный слой выполнен с толщиной h, удовлетворяющей условие
h = 0,5•λ•(0,5•N)^0,5,
где λ длина волны излучения;
N число мод излучения, распространяющихся в световодном слое,
при этом защитная оболочка выполнена в виде напыленной на световодный слой пленки металла с коэффициентом температурного расширения, равным коэффициенту материала сердечника или близким ему.