Волоконний світловод
Використання: волоконно-оптичні лінії зв'язку. Сутність винаходу: волоконний світловод містить сердечник, світловодний шар, розташований на поверхні сердечника і виконаний з певною товщиною і показником заломлення, великим показника заломлення сердечника, і захисну оболонку, виконану у вигляді напиленої на світловодний шар плівки металу з коефіцієнтом температурного розширення, рівним сердечника чи близьким йому. 3 іл.
Винахід відноситься до оптоелектроніки, волоконної оптики і може бути використане для волоконно-оптичних ліній зв'язку, авіації, космонавтиці та народному господарстві в областях: радіоелектроніці, медицині, машинобудуванні.
Відомі світловоди [1] що складаються з осердя, оболонок з полімерів і мають коефіцієнт заломлення оболонки менше або дорівнює коефіцієнту заломлення осердя.
Недоліком є підвищені втрати через паразитні хвилі, що йдуть з світловода, підвищена дисперсія і вузька смуга частот, низькі: міцність, температуростійкість і стійкість до перешкод.
Найбільш близьким аналогом до винаходу є волоконний світловод [2] містить осердя, світловодний шар, розташований на поверхні сердечника і виконаний з показником заломлення, більшим за показник заломлення сердечника, захисну оболонку.
Недоліком є високі втрати випромінювання за рахунок розсіювання в оболонці, низька схибленість від зовнішніх шумів, низька механічна міцність і температуростійкість.
Метою винаходу є підвищена помехозащищенность від зовнішніх шумів і підвищена механічна міцність, підвищена щільність енергії, що передається по світловоду, відсутність втрат випромінювання через розсіювання в оболонці, висока температуростійкість.
Для здійснення мети на поверхні сердечника світловодний шар виконаний товщиною h, що задовольняє умові h=0,5 5 (0,5N) 0,5 де - довжина хвилі випромінювання; N число мод випромінювання, що поширюються у світловодному шарі, захисна оболонка виконана у вигляді напиленої на світловодний шар плівки металу з коефіцієнтом температурного розширення, що дорівнює коефіцієнту матеріалу сердечника або близьким йому.
На фіг. 1-3 показано пропонований пристрій.
Хвильоводовий світловод складається із сердечника 1, світловодного шару 2, захисної оболонки 3 з напиленої плівки металу.
Волоконний світловод працює наступним чином (фіг. 2). На вхідну апертуру 4 надходить випромінювання 5, під кутом до осі світловода поширюється мода 6 випромінювання, всередині світловодного шару 2 відбувається поширення N мод випромінювання за рахунок повного відображення від дзеркальної поверхні металізованого покриття 3 від межі області з нижчим коефіцієнтом заломлення сердечника, що пройшла мода поширюється по оболонці, зовнішні перешкоди 7 екрануються металізованим покриттям.
Обгрунтування функціонування світловода має такий вигляд. Процеси поширення випромінювання у світловоді спираються на співвідношення показників заломлення середовища поширення випромінювання та навколишніх оболонок. У світловоді каналізується спрямована хвилеводна мода або виходять із оболонки випромінювальні, радіаційні моди.
На фіг. 3 наведено схематичне розташування мод багатошарової світловодної структурі. На плоску поверхню світловідомого шару 2 надходить випромінювання під кутом , частина світла відіб'ється від торцевої поверхні під кутом, рівним куту падіння , а заломлена хвиля потрапить у хвилеводний шар під кутом заломлення t, пов'язаним з кутом законом заломлення: sin =nв sint.
Критичний кут падіння, більше якого настає повне внутрішнє відображення, залежить від співвідношення показників заломлення матеріалів по обидва боки поверхні розділу. Для верхньої та нижньої меж розділу при nвгnнг ці кути розрізняються і становлять: нг=arc sin nn/nв; вг = arc sin no / nв.
Якщо кут падіння променя на поверхню світловода менше вг, як і нг, повного внутрішнього відбиття не відбувається на жодній поверхні хвилеводного шару. Світло частково відбиватиметься від верхньої його межі і частково переломлюватиметься, виходячи в покривний шар або навколишній простір. Відбите від верхньої межі світло, підійшовши до нижньої поверхні розділу, також частково відобразиться в хвилеводний шар, а частково переломиться в сердечник. При більш як нг, так і вг, промінь, що потрапив у хвилеводний шар, випробує внутрішнє відображення не тільки на верхній, але і на нижній його поверхнях (хвильова моді) і поширюватиметься хвилеводом. Для утворення поширюється в хвилеводному шарі світловодному шарі світлової хвилі, крім внутрішнього відображення, повинна виконуватися також умова узгоджених фаз: фазові зрушення, що накопичуються після двох відбитків від верхньої і нижньої поверхонь хвилеводного шару, повинні бути кратними 2n (якщо ні, хвилі гасять самі себе). Рішення характеристичного рівняння умови узгодженості світлового поля дає рішення, згідно з яким для даної довжини хвилі існує деяка мінімальна (критична) товщина hкр, що відповідає тільки одній хвилеводній моді hкр= 0,25 (nшару 2 -nсерд 2 ) 0,5 якщо h менше hкр , каналізації світла у хвилеводному шарі не відбувається, при збільшенні h у порівнянні з hкр з'являється можливість існування двох, трьох і т.д. хвилеводні мод. Для коштівзв'язки зазвичай прагнуть використовувати одномодове волокно, т.к. міжмодова дисперсія відсутня і смуга пропускання досягає Гігагерц. Виробництво таких волокон дуже складне та дороге, т.к. традиційно використовується центральна жила як світловод і вона повинна бути досить тонка (3-5 мкм) для проходження хвилеводної моди. У пропонованому світловоді випромінювання поширюється у світловодному шарі на поверхні сердечника за рахунок утворення шару з вищим коефіцієнтом заломлення. Використовується ефект поширення випромінювання у плоскій хвилеводній структурі. Коефіцієнт заломлення випромінювання визначається наявністю вільних електронів у середовищі, змінюючи концентрацію в речовині, можна регулювати коефіцієнт заломлення. При цьому значно спрощується технологія виготовлення такої структури на поверхні осердя, можливе використання відпрацьованих плівкових технологій, вакуумної техніки тощо. Світловодний шар можна створити іонами і т. д. Одночасно відбувається екранування випромінювання всередині світловода, тоді як у звичайному випадку відбувається висвічування ряду мод назовні. При заломленні випромінювання поверхні розділу середовищ не відбуваються втрати з допомогою проникнення сусідню оболонку. Відбувається збільшення енергії, що передається по світловоду, так збільшується коефіцієнт введення в світловод: М=1+2r/h, де r радіус сердечника; h товщина світлового шару.
При величині r=50 мкм, h=2 мкм, тоді виграш проти традиційним в 51 раз. При збільшенні енергії, що передається світловодом, можливе його рідинне охолодження за рахунок металізованого покриття. Металізоване покриття з гарною перешкодозахищеністю створює міцне захисне покриття, що дозволяє використовувати волокно в агресивному, високотемпературному середовищі.феромагнітне покриття дозволить ефективно екранувати від магнітних полів. Коефіцієнт об'ємного температурного розширення металізованого покриття близький або дорівнює коефіцієнту матеріалу сердечника і його близькість визначається проміжком значень різниці коефіцієнтів матеріалу сердечника і світловодного шару. Можливі значення різниці визначаються відомими: міцністю на розрив і стиск матеріалів, мінімізацією температурної деформації та підвищенням механічної міцності волокна.
Необхідність і актуальне створення даного світловоду підтверджуються збільшується обсягом і швидкістю обміну інформації, підвищуються вимогами до перешкодостійкості та ресурсами стратегічних матеріалів, що зменшуються.
Волоконний світловод, що містить осердя, світловодний шар, розташований на поверхні сердечника і виконаний з показником заломлення, великим показником заломлення сердечника, і захисну оболонку, що відрізняється тим, що світловодний шар виконаний з товщиною h, яка задовольняє умову h = 0,5(0,5N ) 0,5 , де довжина хвилі випромінювання; N число мод випромінювання, що поширюються у світловодному шарі, при цьому захисна оболонка виконана у вигляді напиленої на світловодний шар плівки металу з коефіцієнтом температурного розширення, що дорівнює коефіцієнту матеріалу сердечника або близьким йому.