Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Механизмы оптических потерь в волоконных световодах в ближней ИК области 0.7 - 1.8 мкм (обзор литературы) .
1.1. Рэлеевское рассеяние 10
1.2. Электронное поглощение 15
1.3. Фононное поглощение 20
1,4. Механизмы избыточшлх потерь 23
Глава II. Исследование величины рэлссвского рассеяния в высоколегированных одномодовых световодах .
2.1. Методы измерения рэлеевского рассеяния 26
2.2. Измерение коэффициентов рэлеевского рассеяния при помощи метода обратного рассеяния 29
2.3. Зависимость коэффициентов рэлеевского рассеяния от концентрации легирующей добавки и температуры вытяжки световода 33
2.4. Приложение. Пересчет усредненных по ППП коэффициентов рэлеевского рассеяния в коэффициенты для равномерно легированного стекла
2.4.1 Линейная зависимость коэффициента рэлеевского рассеяния от концентрации легирующей добавки 39
2.4.2 Ступенчатый профиль показателя преломления 42
Глава III. Исследование пространственного распределения оптических потерь по одномодовых в ближней ИК области спектра световодов .
3.1. Постановка проблемы. Существующие методы 45
3.2. Модификация метода измерения дифференциальных модовых потерь, для случая маломодовых световодов
3.2.1. Используемые обозначения 47
3.2.2. Описание методики , 49
3.3. Результаты измерения дифференциальных модовых потерь в высоколегированных световодах 53
3.4. Величина оптических потерь в сердцевине световода и на границе сердцевина-оболочка 60
3.5. Спектральная зависимость избыточных оптических потерь, возникающих в области центрального провала D ППП и на границе сердцевина-оболочка 62
Глава IV. Исследование угловой зависимости интенсивности света рассеянного в одномодовых световодах .
4.1. Краткий обзор существующих методов 68
4.2. Исследование угловой зависимости интенсивности света рассеянного под малыми углами к оси световода 71
4.3. Установка для измерения углового распределения интенсивности рассеянного света в широком диапазоне углов
4.4. Результаты измерения интенсивности рассеянного света в широком диапазоне углов 82
4.4. Приложение к параграфу 4.3 88
Глава V. Избыточные потери в высоколегированных германо- и фосфоро-силикатпых световодах (обсуждение результатов) .
5.1. Причины возникновения избыточных оптических потерь
5.1.1. Природа избыточных потерь 93
5.1.2. Механизм появления иеоднородностеи, приводящих к появлению избыточных потерь 95
5.2. Снижение избыточных оптических потерь путем оптимизации ППП (сравнение VAD и MCVD технологии) 99
5.3. Избыточные оптические потери в многомодовых и одномодовых высоколегированных световодах 105
Заключение 115
Список литературы 117
- Зависимость коэффициентов рэлеевского рассеяния от концентрации легирующей добавки и температуры вытяжки световода
- Результаты измерения дифференциальных модовых потерь в высоколегированных световодах
- Исследование угловой зависимости интенсивности света рассеянного под малыми углами к оси световода
- Механизм появления иеоднородностеи, приводящих к появлению избыточных потерь
Введение к работе
Актуальность
Развитие волоконной оптики в первую очередь связано с бурным развитием волоконно-оптической связи в течении последних 20 - 30 лет. В то же время волоконные световоды оказались не только прекрасной передающей средой, характеризующейся очень низкими оптическими потерями и широкой полосой пропускания, но и перспективным нелинейным элементом для ряда приложений, часто напрямую не связанными с оптическими системами передачи информации. Вследствие этого, большое внимание в настоящее время уделяется высоколегированным одномодовым волоконным световодам. Малый размер поля моды, практически неограниченная длина взаимодействия и простота соединения со стандартными одномодовыми световодами делают такие световоды идеальным нелинейным элементом для самых разнообразных приложений.
Световоды с повышенной (по сравнению со стандартными световодами) концентрацией оксида германия широко используются в рамановских лазерах и усилителях, параметрических усилителях, при нелинейном переключении импульсов, генерации суперконтинуума и во многих других устройствах. Световоды, легированные до высоких концентраций оксида фосфора, нашли применение в рамановских конвертерах. Стекло, легированное оксидом фосфора, обладает значительно большей величиной рамановского сдвига (1330 см"1) по сравнению с германосиликатным стеклом (440 см"1). Поэтому использование фосфоросиликатного стекла позволяет значительно уменьшить количество каскадов в рамановских конверторах при получении больших величин рамановских сдвигов.
Эффективность нелинейных эффектов, как известно, определяется плотностью световой мощности, сосредоточенной в сердцевине световода, которая увеличивается при уменьшении размера поля моды. Для достижения малого размера поля моды (и, следовательно, высокой плотности мощности) необходимо иметь большую разницу показателей преломления Дп сердцевины и оболочки световода, что обусловливает интерес к созданию технологии изготовления световодов с возможно большим содержанием легирующей добавки в сердцевине.
«ОС НАЦИеНАЛЫМ* 1 БИБЛИОТЕКА I
Величина An растет практически линейно с увеличением концентрации Ge02 в сердцевине. При концентрации 30 мол.% Ge02 она составляет 0.043. Увеличение концентрации от ~3 мол.% (соответствующей стандартным одномодовым световодам для линий связи) до 30 мол.% Ge02 приводит к увеличению нелинейности световода более чем на порядок. В то же время с увеличением концентрации оксида германия в сердцевине резко возрастают полные оптические потери, что существенно снижает эффективность устройств, в которых используются такие световоды. Так, в световодах, изготовленных методом MCVD, оптические потери на длине волны 1.55 мкм до недавнего времени превышали 2-5 дБ/км при концентрации оксида германия 30 мол.% [1, 2]. В световодах, легированных оксидом фосфора, ситуация оказалась аналогичной, и отличается только тем, что резкий рост оптических потерь начинается уже при концентрациях 15 мол.% Р205 (Дп=0.013), где оптические потери превышают 3 дБ/км на длине волны 1.24 мкм [3].
Уровень оптических потерь в высоколегированных световодах, изготовленных MCVD методом, значительно превышает теоретические оценки оптических потерь за счет фундаментальных механизмов: 0.5 дБ/км на длине волны 1.55 мкм для световодов, содержащих 30 мол.% оксида германия и 0.3-0.4 дБ/км на длине волны 1.24 мкм для световодов, содержащих 10-15 мол.% оксида фосфора. Необходимо отметить, что современный уровень очистки исходных веществ и используемые в настоящее время технологии изготовления световодов MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) [4], OVD (Outer Vapor Deposition) [5], VAD (Vapor Axial Deposition) [6] и PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition) [7] позволяют полностью избавиться от всех нежелательных примесей в световоде, имеющих полосы поглощения на данных длинах волн. Таким образом, наблюдающийся высокий уровень оптических потерь обусловлен, по всей видимости, либо собственными свойствами высоколегированного кварцевого стекла, либо особенностями процесса изготовления таких световодов. Актуальным представляется исследование природы механизмов, обусловливающих столь высокий уровень оптических потерь, а также поиск методов, позволяющих понизить величину оптических потерь в высоколегированных световодах.
Целью настоящей работы является изучение механизмов оптических потерь в высоколегированных одномодовых световодах, изготовленных
MCVD методом, и поиск методов снижения полных оптических потерь в таких световодах.
Для достижения заявленной цели были поставлены следующие ЗАДАЧИ.
-
Определение вклада фундаментальных механизмов в оптические потери в высоколегированных одномодовых световодах.
-
Исследование механизмов оптических потерь, отличных от фундаментальных и приводящих к заметному росту оптических потерь в ближней ИК-области спектра (1 - 1.6 мкм). Определение вклада таких механизмов в полные оптические потери.
-
Исследование влияния различных технологических факторов на величину оптических потерь в высоколегированных световодах.
Научная новизна и защищаемые положения
Проведены прямые измерения величины коэффициента рэлеевского рассеяния в высоколегированных германосиликатных и фосфоросиликатных одномодовых световодах. Обнаружено, что интенсивность рэлеевского рассеяния в сердцевине световодов увеличивается по сравнению с объемными образцами с той же концентрацией легирующей добавки на 10 - 30% в зависимости от условий вытяжки световода.
Показано, что в высоколегированных световодах, одномодовых в ближней ИК-области, источники избыточных оптических потерь локализованы в области границы сердцевина-оболочка и в области центрального провала профиля показателя преломления (ППП).
Установлено, что избыточные оптические потери в высоколегированных световодах обусловлены отличным от рэлеевского аномальным рассеянием, возникающим на границе сердцевина-оболочка и в области центрального провала ППП. Найдено, что спектральная зависимость избыточных оптических потерь обусловленных аномальным рассеянием носит степенной характер с показателем степени, лежащим в диапазоне 2-3.
Практическая ценность
Модифицирован метод измерения дифференциальных модовых потерь и впервые предложена методика, позволяющая оценивать распределение оптических потерь по сечению маломодовых световодов.
Разработана оригинальная установка, позволяющая измерять индикатрису излучения, рассеянного в световоде, в широком диапазоне углов при относительно небольшой введенной мощности зондирующего излучения.
Модификация технологии изготовления высоколегированных одномодовых световодов позволила создать образцы световодов, обладающие рекордно низким для MCVD метода уровнем оптических потерь. Предложены дальнейшие пути уменьшения оптических потерь в высоколегированных одномодовых световодах, изготовленных методом MCVD.
Апробация работы
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на Европейской конференции по оптической связи (European Conference on Optical Communications) в 2003 и 2004 годах, а так же на научных семинарах НЦВО при ИОФ РАН. В 2002 и 2003 годах работы, вошедшие в диссертацию, занимали соответственно 1-2 и 1 место на конкурсе работ молодых ученых, проводимом в НЦВО. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работы в рецензируемых журналах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка и 3 таблицы. Список литературы содержит 92 наименования.
Зависимость коэффициентов рэлеевского рассеяния от концентрации легирующей добавки и температуры вытяжки световода
К механизмам избыточных потерь относят оптические потери, обусловленные несовершенством технологии изготовления световодов: присутствие дополнительных примесей с полосами поглощения в ближнем ИК диапазоне, которые не удается устранить существующими методами; несовершенство геометрических параметров световода, приводящих к дополнительному рассеянию; оптические потери, наведенные в процессе вытяжки световода и т.п. Кроме того, дополнительные оптические потери в световодах могут возникать вследствие внешних воздействий: за счет усадки полимерного покрытия при изменении температуры окружающей среды, внешних сдавливающих усилий, у излучения либо УФ излучения, диффузии молекул Н2 в световоде и т.п. В данной работе механизмы оптических потерь, связанные с внешними воздействиями рассматриваться не будут:
Впервые на присутствие в высоколегированных одномодовых световодах избыточных потерь, зависящих от условий вытяжки и формы профиля показателя преломления (ППП), было указано в работах [49-51]. Кроме того, в ряде работ обсуждалась также возможность появления дополнительного поглощения, обусловленного напряженными или разорванными связями на границе сердцевина-оболочка световода, возникающими из-за разницы в коэффициентах термического расширения материала сердцевины и оболочки [50, 52]. Основываясь на схожести спектральных зависимостей "избыточных оптических потерь в высоколегированных одномодовых световодах и потерь за счет рэлеевского рассеяния, авторы [13, 30] предположили, что рост оптических потерь в высоколегированных световодах обусловлен значительным увеличением рэлеевского рассеяния. Дополнительно изучалась возможность наведения оптических потерь в процессе вытяжки УФ излучением из зоны нагрева печи [47, 48]. Кроме того, наблюдалось появление в объеме высоколегированной сердцевины наночастиц чистого оксида германия [53-55], которые так же могли приводить к появлению дополнительно рассеяния. Возможность появления дополнительного (аномального) рассеяния, интенсивность которого в отличие от рэлеевского рассеяния значительна лишь под малыми углами к оси световода, была предсказана в работах [56-58]. Недавно было экспериментально обнаружено отклонение индикатрисы рассеянного в одномодовых световодах света от- рэлеевской при сравнительно больших углах рассеяния (15-30), что трактовалось авторами работ [59, 60] как проявление аномального рассеяния.
Несмотря на большое количество работ, посвященных происхождению "избыточных" потерь, не было получено убедительных экспериментальных доказательств в пользу того или иного механизма вызывающего эти потери. Так же не было достигнуто определенного мнения, какая из областей световода ответственна за появление избыточных потерь: ряд исследователей предполагал рост потерь в сердцевине световода [13, 30, 41, 47, 48, 56], в то время как другие исследователи считали источником избыточных потерь границу сердцевина-оболочка [50, 57-61]. Как уже указывалось ранее, величина избыточных потерь в высоколегированных световодах зависит от ряда факторов, таких как условия вытяжки (температура, натяжение, скорость), форма профиля показателя преломления сердцевины, состав сердцевины и оболочки световода и т.п. [12, 13, 41, 49-51]. Механизмы влияния технологических факторов на величину оптических потерь в высоколегированных одномодовых световодах так же достоверно не были установлены.
Усовершенствование VAD технологии изготовления одномодовых световодов, легированных до высоких концентраций оксида германия позволило снизить оптические потери в этих световодах до уровня, близкого к уровню оптических потерь за счет фундаментальных механизмов. Оптические потери в таких световодах не превышают 0.5 дБ/км на длине волны 1.55 мкм при уровнях легирования оксидом германия вплоть до 30 мол.% [62]. В то же время в германосиликатных световодах, изготовленных при помощи технологии MCVD оптические потери на длине волны 1.55 мкм при концентрациях GeC 2 порядка 30 мол.% до недавнего времени были выше 2-3 дБ/км [12-14], обнаруживая высокий уровень избыточных оптических потерь. В лучших одномодовых фосфоросиликатных световодах, легированных до концентраций порядка 11-15 мол.% оптические потери также оказались в 2-3 раза выше оценочного уровня потерь за счет фундаментальных механизмов [15, 16]. Природа высокого уровня избыточных потерь Б высоколегированных германосиликатных и фосфоросиликатных одномодовых MCVD световодах к моменту начала работ по данной диссертации не была установлена.
Для определения величины рэлеевского рассеяния в световодах разработано несколько методов, как прямых, так и косвенных [27, 31, 34, 65-67]. При определении величины рэлеевского рассеяния в высоколегированных световодах эти методы дают существенно различные результаты, что приводит к необходимости определения методов, позволяющих получить точные значения коэффициентов рэлеевского рассеяния.
Самый очевидный метод определения коэффициентов рэлеевского рассеяния (КРР) заключается в исследовании угловой зависимости интенсивности рассеянного света [24, 25, 31]. Определенные сложности в таком методе возникают при нормировке измеренной интенсивности, однако, они легко преодолеваются, если проводить относительные измерения -исследовать изменение интенсивности рэлеевского рассеяния относительно некого эталонного образца, в котором КРР заранее известен. Как правило, в качестве эталонного образца выбирают нелегировашюе кварцевое стекло» КРР в котором измерялся различными методами с хорошей точностью [68]. По нашим данным при помощи данного метода проводились лишь исследования зависимости величины рэлеевского рассеяния от температурной предыстории световодов [34]. Систематические исследования рэлеевского рассеяния в волоконных световодах разного состава данным методом не проводились, что, по всей видимости, связано с необходимостью создания достаточно сложной и высокочувствительной установки. В то же время, исследования объемных образцов не позволяют достаточно точно определить КРР в световодах даже в случае, когда сердцевина световода имеет тот же состав, что и объемный образец. Например, различие КРР объемных образцов и световодов может быть обусловлено тем, что при вытяжке волоконных световодов происходит резкое охлаждение стекла.
Результаты измерения дифференциальных модовых потерь в высоколегированных световодах
Исследованию пространственного распределения величины оптических потерь по сеченшо заготовок и световодов посвящено значительное количество работ. Такие исследования представляют несомненный интерес, так как позволяют получить дополнительную информацию о природе избыточных потерь. До недавнего времени не только не была понятна природа избыточных потерь в высоколегированных одномодовых световодах, но даже не была установлена их локализация. Ряд исследователей предполагал рост оптических потерь в сердцевине световода [30, 41, 47, 48, 56] в то время как, по мнению авторов [13, 50, 57-61], источники избыточных потерь находятся на границе сердцевина-оболочка. Прямое измерение распределения оптических потерь по радиусу одномодового световода представляется проблематичным в связи с малым размером сердцевины (сравнимым с длиной волны распространяющегося в нем излучения). Практически во всех посвященных данной теме экспериментальных работах распределение оптических потерь по радиусу исследовалось либо в заготовках одномодовых световодов, либо в мпогомодовых световодах.
Распределение оптических потерь по радиусу заготовки изучалось в работах [46, 75, 76]. Все эти работы были посвящены исследованию распределения величины УФ поглощения по сеченшо заготовки. В работе [75] распределение УФ поглощения измерялось путем сканирования узким слабо расходящимся лучом зондирующего излучения вдоль радиуса заготовки. Длина волны зондирующего излучения лежала в области 200-250 им. На этих длинах волн в кварцевом стекле, легированном до концентраций 2-11 мол.% Ge02, поглощение составляет 0.1 - 10 дБ/мм [44], что позволило измерять величину затухания на срезах заготовок волоконных световодов, толщиной 0.1 - 10 мм. Относительное распределение различных видов ГКДЦ по сечению световода может быть так же исследовано по величине люминесценции, возбуждаемой электронным пучком [46], либо УФ излучением [76]. Авторами [46, 75] было обнаружено непропорциональное концентрации оксида германия распределение УФ поглощения и ГКДЦ с максимумами на границе сердцевина-оболочка и в области центрального провала ППП заготовки. Недостатком подобных измерений является то, что они позволяют исследовать лишь распределение поглощения. Более существенным недостатком таких измерений является то, что во время вытяжки световода происходит частичный отжиг ГКДЦ, имеющихся в объеме заготовки, и образование новых дефектов, обусловленных условиями вытяжки [45]. Так же в процессе вытяжки может происходить наведение дополнительного поглощения [47, 48]. В результате итоговое распределение центров поглощения по радиусу световода может заметно отличаться от распределения по радиусу заготовки.
Гораздо более информативным представляется метод измерения дифференциальных модовых потерь, предложенный в работе [77]. Авторами исследовались распределения оптических потерь по сечению многомодовых световодов. Основная идея данного метод заключается в том, что при фокусировке излучения одномодового лазера на торце световода, в световоде возбуждается лишь ограниченное число мод, имеющих близкие друг к другу постоянные распространения и обобщенные модовые числа q (q — 2m+l, обозначения см. в параграфе 3.2.1). Варьируя угол к оси световода, под которым вводится лазерное излучение, а также расстояние между осью световода и областью фокусировки излучения на торце световода, авторы получили зависимость от обобщенного модового числа, как полных потерь, так и потерь на рассеяние. По результатам этих исследований авторам удалось сделать некоторые выводы о распределении оптических потерь по радиусу световода.
В работе [78] была предпринята попытка определить распределение оптических потерь по сечению в однохмодовых световодах. При исследовании оптических потерь в высоколегированных световодах было обнаружено [12], что в области отсечки второй моды оптические потери при переходе из двухмодового режима в одномодовыи меняются скачком. Данный факт был объяснен различием в распределении электрического поля первой и второй моды по радиусу световода, и тем, что оптические потери по сечению световода распределены неравномерно. Используя это обстоятельство, автор [78] попытался оценить по величине "скачка" оптических потерь в спектральной области отсечки второй моды разницу оптических потерь первой и второй моды. На основании такой оценки было сделано заключение, что источники избыточных оптических потерь распределены равномерно по сердцевине световода. Необходимо отметить, что в данной работе [78] не было учтено присутствие центрального провала в ППП исследованного световода, обусловленного особенностями MCVD технологии. Как будет показано далее, область центрального провала является источником избыточных оптических потерь, что вносит существенные коррективы в разницу оптических потерь между первой и второй модой. Кроме того, автор [78] предположил равное распределение мощности между модами при возбуждении некогерентным источником света, что представляется необоснованным.
В данной работе индексы и названия мод даны в обозначениях работы [79]. Эти обозначения используются при решении скалярного волнового уравнения, позволяющего найти постоянные распространения и распределения электрического поля мод на данной длине волны в круглом слабонаправляющем световоде:
Исследование угловой зависимости интенсивности света рассеянного под малыми углами к оси световода
Для исследования аномального рассеяния в высоколегированных световодах была создана установка, аналогичная предложенной в работе [56], схема которой показана на рис.17. Измерения интенсивности рассеянного в сердцевине световода излучения под малыми углами к оси световода (1 - 16) осуществлялись как в направлении распространения излучения (схема ввода излучения 1, рис.17), так и в противоположном направлении, под углами 164 - 179 по отношению к направлению зондирующего излучения (схема ввода излучения 2, рис. 17). В качестве источника света использовалось излучение Nd-YAG лазера с длиной волны 1.06 мкм. На данной длине волны все исследуемые световоды были одномодовыми. Результаты измерений усреднялись по трем — четырем различным участкам световода. На рис. 18 представлены результаты измерения интенсивности света, рассеянного в сердцевине световода с концентрацией 27 мол.% Ge02 (Д = 2.6 %). Кривая 1 представляет угловую зависимость интенсивности света, рассеянного в направлении распространения зондирующего излучения (излучение вводилось по схеме 1). Кривая 2 соответствует интенсивности света рассеянного в направлении, обратном направлению распространения зондирующего излучения (излучение вводилось по схеме 2). Следует отметить, что излучение рассеянное в сердцевине световода испытывает преломление на границе отражающая оболочка - иммерсионная жидкость. Поэтому на рис Л 8 и далее интенсивность рассеянного света представлена как функция угла 0об - угла под которым излучение распространяется в оболочке. Представленные результаты показывают, что рассеяние света отличается от рэлеевского и вместо зависимости l0(l+cos20) наблюдается совершенно иное распределение рассеянного света. Индикатриса рассеяния несимметрична, в направлении распространения света рассеивается значительно большая мощность, чем в обратном. Подобная угловая зависимость интенсивности рассеянного света достаточно хорошо согласуется с угловыми зависимостями аномального рассеяния, полученными в работах [56-60].
Для изучения основных факторов, влияющих на распределение и величину интенсивности рассеяния были изготовлены три заготовки с различными профилями показателя преломления (ППП) и приблизительно одинаковым уровнем легирования ( 27 мол.% GeCb). ППП в заготовке 937 имел ступенчатую форму, а в заготовках 944 и 028 - градиентную (см. рис. 19). В ППП заготовок 937 и 944 наблюдался центральный провал в ППП, обусловленный испарением легирующей добавки (в данном случае оксида германия) в процессе схлопывания заготовки. За счет модификации режима схлопывання оказалось возможным практически полностью устранить появление центрального провала в ППП заготовки 028. Из этих трех вышеперечисленных заготовок 937, 944 и 028 при двух различных температурах печи были вытянуты одпомодовые на длине волны 1,06 мкм световоды.
Многочисленными исследованиями было показано, что снижение температуры вытяжки приводит к уменьшению оптических потерь световодов [12, 13, 30, 49-51]. Исследование индикатрисы рассеяния света в высоколегированных одномодовых световодах, вытянутых при двух различных температурах, было проведено в работе [59]. В световоде, вытянутом при высокой температуре было зафиксировано появление небольшого отклонения измеренной индикатрисы от индикатрисы рэлеевского света (31) в диапазоне углов 20-30, которое авторы [59] связали с присутствием отличающегося от рэлеевского вида рассеяния. Было предположено, что уменьшение оптических потерь при уменьшении температуры вытяжки связано с уменьшением интенсивности данного вида рассеяния. Наши исследования [63] подтвердили данное предположение. Как видно из рис.20, снижение температуры вытяжки световода вызывает как уменьшение полных оптических потерь, так и существенное уменьшение интегральной интенсивности аномального рассеяния в исследованных световодах.
В работах [12, 51] было установлено, что использование градиентной формы ППП вместо ступенчатой приводит к значительному снижению полных оптических потерь в высоколегированных одномодовых световодах. До сих пор, однако, природа данного эффекта не была установлена. В нашей работе [74] были исследованы оптические характеристики трех световодов, имеющих разные ППП, и вытянутых при одной и той же температуре (ППП показан на рис.19). Как показали наши исследования (см, рис.21), градиентная форма ППП сердцевины приводит не только к заметному уменьшению полных оптических потерь, но и к пропорциональному снижению интегральной интенсивности аномального рассеяния. Впервые установлено, что устранение центрального провала в ППП градиентного световода так же приводит к уменьшению величины полных оптических потерь, а так же интенсивности аномального рассеяния. Особенно заметно различие интенсивностей аномального рассеяния на "хвостах" распределений (5 - 16), которые собственно и вносят основной вклад в полную рассеянную мощность.
Так как измерения аномального рассеяния были ограничены диапазоном углов в 16, и вклад неучтенной части аномального рассеяния (при углах 16), может быть значительным, на основе проведенных измерений нам не удалось оценить полный вклад в оптические потери аномального рассеяния.
Механизм появления иеоднородностеи, приводящих к появлению избыточных потерь
Исследования индикатрисы рассеяния излучения в одномодовых световодах (см. главу IV) показали, что высокий уровень оптических потерь в одномодовых вьісоколегироваїшьіх световодах обусловлен аномальным рассеянием. Данный вид рассеяния возникает в области границы сердцевина-оболочка и области центрального провала в ППП (см. главу III). В то же время, вопрос о причинах появления аномального рассеяния в указанных областях остался открытым.
В ряде теоретических работ [57, 58, 60, 84] анализировалось рассеяние, обусловленное вариациями поперечных размеров сердцевины по длине световода. Анализ проводился для вариаций, размер которых вдоль оси световода сопоставим, либо значительно больше, а в радиальном направлении значительно меньше длины волны рассеиваемого излучения. В работах [57, 58, 60] была получена индикатриса подобного рассеяния, кроме того, авторы недавно опубликованной работы [84] рассчитали также спектральную зависимость оптических потерь за счет данного вида рассеяния.
Сопоставление результатов данной работы и результатов теоретического анализа, проведенного в вышеперечисленных работах, показывает качественное соответствие между результатами эксперимента и теоретическими расчетами:
Основная мощность рассеянного на вариациях поперечных размеров сердцевины излучения распространяется под малыми углами к оси световода в направлении распространения зондирующего излучения. Полуширина углового распределения интенсивности подобного рассеяния может колебаться от нескольких градусов до нескольких десятков градусов в зависимости от характерных размеров и типа подобных вариаций. В направлении, обратном направлению распространения, интенсивность рассеяния на вариациях поперечных размеров мала. Данные результаты согласуются с результатами измерений индикатрисы рассеянного излучения, представленными в четвертой главе.
Теоретический анализ, проведенный в работе [84], показал, что спектральная зависимость оптических потерь за счет рассеяния на вариациях поперечных размеров сердцевины по длине световода должна носить близкий к степенному характер. Показатель степени b (в обозначениях формулы (30)), определяется средней величиной размера подобных вариаций вдоль оси световода и лежит в диапазоне величин 2 — 4. При этом параметр b увеличивается до 4, когда характерный размер неоднородностей вдоль оси световода становится заметно меньше длины волны и рассеяние приобретает рэлеевский характер. Данные результаты находятся в полном соответствие с результатами измерения спектральной зависимостью избыточных оптических потерь, полученных в третьей главе данной диссертации. - В третьей главе было показано, что источники аномального рассеяния локализованы на границе сердцевина-оболочка и в области центрального провала в ППП световода. В модели рассеяния на вариациях поперечных размеров сердцевины, предложенной в теоретических работах [57, 58,60, 84], рассеяние происходит именно на границе сердцевина-оболочка. Причиной появления избыточных оптических потерь в области центрального провала в ППП могут быть как вариаций размера, так и положения центрального провала по длине световода. На основании вышеперечисленного можно сделать вывод, что источником избыточных потерь в высоколегированных одномодовых световодах является рассеяние света, обусловленное вариациями размера и формы сердцевины, а также вариациями размера и положения центрального провала по длине световода. Данные вариации можно рассматривать как неоднородности показателя преломления, поперечные размеры которых значительно меньше длины волны, а характерная длина вдоль оси световода сравнима или значительно больше длины волны излучения. На подобных неоднородностях происходит рассеяние света, что и приводит к появлению избыточных оптических потерь. Открытым остается вопрос о физическом механизме, приводящем к появлению вариаций формы и размера границы сердцевина-оболочка и размера и положения центрального провала в ППП по длине световода. Можно было бы предположить, что данные вариации могут возникать в процессе изготовления заготовок волоконных световодов. В ряде работ [85, S6] действительно наблюдался эффект искажения границы сердцевина-оболочка, названный в работе [85] "пальцами вязкости". Данный эффект обусловлен недостаточно высокой температурой опорной трубы при схлопываЕши заготовки [86], либо большой разницей вязкостен стекол, составляющих сердцевину и оболочку световода, так же приводящей к нарушению цилиндрической симметричности сердцевины в процессе схлопывания заготовки [85]. Проведенные в рамках данной диссертационной работы исследования световодов, вытянутых из заготовок, имеющих искаженную границу сердцевина-оболочка, действительно показали значительно более высокий уровень аномального рассеяния по сравнению со световодами, вытянутыми из заготовок с цилиндрически симметричной сердцевиной (рис.27). В то же время, предположение о возникновении вариаций границы сердцевина-оболочка и центрального провала на этапе изготовления заготовки не позволяет объяснить крайне сильную зависимость величины оптических потерь от условий вытяжки световода. Как показали наши исследования (см. главу IV), величина полных оптических потерь, так же, как и потерь иа аномальное рассеяние, может меняться более чем в три раза при изменении натяжения вытяжки от 30 до 150 грамм.
