Кварцевое оптоволокно

Определение: оптоволокно, основанное на расплаве кварца (оксида кремния) или сходных материалов (например, допированного оксида кремния).

Оптоволокно - длинные и гибкие виды оптических волноводов. По сути, они базируются на каком-либо стекле или полимерных материалах (пластиковое оптоволокно). Среди стекол плавленный кварц (аморфный кремниевый диоксид, SiO₂) является доминирующим материалом (особенно для телекоммуникационного оптоволокна), потому как у него есть множество полезных свойств:

·         У кварца широкий диапазон длин волн с хорошей оптической прозрачностью. В инфракрасном спектре, особенно на длине волны 1.5 μm, у кварца очень низкое поглощение и потери на рассеивание 0.2 децибелов/км (см. рисунок 1), поскольку преформа для вытяжки волокна изготавливается с использованием методов, обеспечивающих очень высокую степень чистоты (→ производство волокна). Высокая прозрачность в области 1.4-μm достигается поддержанием низкой концентрации гидроксильных групп (ОН). С другой стороны, волокна с высокой концентрацией ОН лучше подходят для передачи света в ультрафиолетовой области.

·         Кварц может быть использован в оптоволокне при разумно высоких температурах, и имеет низкий коэффициент термического расширения.

·         Кварцевые волокна могут быть быстро и надежно соединены с помощью сварки или процедуры сплайсинга.

·         У кварцевого оптоволокна удивительная прочность на разрыв и изгиба, при условии, что волокно не является слишком толстым и что поверхности хорошо подготовлены. Такая стойкость оптоволокна может быть в дальнейшем улучшена подходящим полимерным покрытием. При простом сколе волокна образовавшийся торец образует прямую поверхность с хорошим оптическим качеством.

·         Кварц химически инертен. В частности, он не является гигроскопическим (не поглощает воду).

·         Кварцевое стекло может смешиваться с различными материалами. Целью добавок является увеличение показателя преломления (например, с GeO₂ или Al₂O₃) или понижение его (например, с фтором или B₂O₃). Допирование также возможно с лазерными-активными ионами (редкоземельными ионами), чтобы получить активные волокна, которые могут использоваться, например, в волоконных усилителях или лазерах. Сердцевина оптоволокна и иногда оболочка оптоволокна допируются, и полученный материал является при этом, например, алюмосиликатным, германосиликатным или боросиликатным стеклом. Для активного оптоволокна, чистый кварц, как правило, не такая подходящая основа, как стекло, поскольку что дает низкую растворимость для редкоземельных ионов. Это может привести к подавлению эффектов из-за объединения в кластеры ионов допанта, даже при умеренных концентрациях примесей. Алюмосиликаты намного более эффективны в этом отношении.

·         Кварцевое оптоволокно также показывает высокий уровень оптической стойкости. Эта особенность гарантирует низкую вероятность для оптического пробоя, что важно для волоконных усилителей, когда они используются для увеличения коротких импульсов.

·         У кварца есть особенно низкая нелинейность Керра, которая выгодна во многих случаях, где нелинейные эффекты могут быть вредны.

Рисунок 1: Оптические потери в кварце. На больших длинах волн доминирует инфракрасное поглощение, связанное с вибрационными резонансами. На малых длинах волн важнее рассеивание Рэлея из-за неизбежных колебаниях плотности стекла. Есть минимум потерь порядка 0.2 децибел/км приблизительно 1.55 μm. Некоторое телекоммуникационное оптоволокно почти достигает этого уровня. Если оптоволокно содержит гидроксильные (ОН) ионы, дополнительные пики 1.39 μm и 1.24 μm присутствуют в спектре потерь.

 

Кварцевое оптоволокно предпочтительно для применения в коммуникации (за исключением очень коротких расстояний с пластиковым оптоволокном), волокнах для лазеров, усилителей и волоконнооптических датчиков. Большие усилия, которые потребовались для развития различных видов кварцевого оптоволокна, далее увеличили преимущества таких волокон над волокнами, основанными на других материалах (см. ниже).

Есть также чистые волокна кварца в форме фотоннокристаллических волокон, содержащих крошечные воздушные отверстия. В этом случае волновой эффект достигнут уменьшением эффективного индекса оболочки (вызванного большей фракцией воздуха) или эффектом фотонной запрещенной зоны.

Для специальных применений требуются определенное некварцевое оптоволокно:

·         Фосфатное стеклянное оптоволокно может использоваться, когда требуется высокая концентрация примесей редкоземельных ионов.

·         Фторидное оптоволокно, содержащее тяжелые металлы, может использоваться для передачи середины инфракрасного диапазона, и для лазеров волокна или усилителей, где требуются низкоэнергетические лазерные переходы с большим сроком жизни возбужденного иона.

·         Пластиковое оптоволокно (из полимерных материалов) может быть более дешевым и широко применяемым, чем кварцевое оптоволокно, и используется, например, в целях освещения и в передаче данных на малые расстояния.