Волоко́нная о́птика, область науки и техники, связанная с исследованием распространения оптического излучения по волоконным световодам ($ВС$), а также с их изготовлением и применением. Простейший $ВС$ представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина которой радиуса ${а_1}$ имеет показатель преломления ${n_1}$, а оболочка радиуса ${а_2}$ имеет показатель преломления ${n_2 < n_1}$ (рис. 1).

Рис. 1. Поперечное сечение волоконного световода с защитной оболочкой (заштрихована).Рис. 1. Поперечное сечение волоконного световода с защитной оболочкой (заштрихована).Поэтому лучи света, распространяющиеся под достаточно малыми углами к оси $ВС$, испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине. В зависимости от назначения $ВС$ диаметр сердцевины лежит в области от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, а диаметр оболочки – от десятков до тысячи микрометров. При изготовлении $ВС$ покрывают защитной оболочкой толщиной от нескольких микрометров до десятков микрометров обычно из полимерного материала. Число типов волн (мод), которые могут распространяться по $ВС$ при заданной длине волны света $\lambda$, определяется параметром

$${V=(2πa_1/λ)(n_1-n_2)^{1/2}}. \tag{1}$$Если ${V < 2,4}$, то распространяется лишь одна мода и $ВС$ называется одномодовым, если ${V > 2,4}$, то $ВС$ многомодовый. В качестве материала $ВС$ широко используются различные стёкла, полимерные материалы, значительно реже – кристаллические.

Волоконная оптика возникла в 1950-х гг. Тогда изготавливались и применялись стеклянные $ВС$ длиной не более $10 \,м$, т. к. оптические потери в них были высокими, порядка $1000 \,дБ/км$. Отдельные $ВС$ и волоконные жгуты применялись в медицине и технике для освещения труднодоступных внутренних полостей и передачи изображений. В последнем случае применялись жгуты с регулярной укладкой $ВС$. Волоконная оптика стала быстро развиваться с появлением в 1960-х гг. лазеров и возникшей потребностью в передающей среде для оптических систем связи. Исследования механизмов оптических потерь в стёклах и разработка технологии стеклянных $ВС$ на основе химического осаждения из газовой фазы привели к появлению $ВС$ с предельно низким уровнем оптических потерь в ближней ИК-области спектра; минимальные потери составили величину около $0,2 \,дБ/км$ в спектральной области вблизи $1,4 \,мкм$ (рис. 2).

Рис. 2. Спектр оптических потерь одномодового стеклянного волоконного световода. Пик оптических потерь вблизи 1,4 мкм связан с поглощением гидроксильными группами ОН. Рис. 2. Спектр оптических потерь одномодового стеклянного волоконного световода. Пик оптических потерь вблизи 1,4 мкм связан с поглощением гидроксильными группами ОН. В качестве материала для таких $ВС$ используется высокочистое кварцевое стекло, в которое могут вводиться оксиды $\text{Ge}$, $\text{P}$, $\text{Al}$ и других химических элементов для увеличения показателя преломления сердцевины. Послойное осаждение стекла в процессе формирования сердцевины позволяет создавать необходимый профиль показателя преломления сердцевины (зависимость показателя преломления от радиуса), например ступенчатый, треугольный, параболический и др. Профиль показателя преломления определяет волноводные характеристики $ВС$, в частности спектральную зависимость волноводной дисперсии.

Создание стеклянных $ВС$ с низкими оптическими потерями привело к бурному развитию волоконно-оптической связи. Все континенты связаны подводными волоконно-оптическими кабелями связи. В начале 21 в. широко используются коммерческие волоконно-оптические системы связи со скоростью передачи информации порядка $100 \, Гбит/с$. Разработаны экспериментальные волоконно-оптические линии связи со скоростью передачи информации порядка $10 \,Тбит/с$. Мировое производство $ВС$ составляет более $50 \, млн\, км/год$. Другое важнейшее применение $ВС$ с низкими потерями – создание волоконных датчиков различных физических параметров, волоконных лазеров и оптических усилителей.

Важнейшей характеристикой оптических усилителей является величина оптических потерь, но для физических исследований очень важны дисперсионные характеристики, фоточувствительность, нелинейность и механическая прочность $ВС$. Частотная дисперсия $ВС$ приводит к уширению короткого импульса при его распространении по световоду. Дисперсия $ВС$ измеряется в $пс/(нм \cdot км)$, т. е. единицей измерения является уширение импульса в $пс$, отнесённое к единице спектральной ширины импульса и длине $ВС$ в $1 \,км$. Дисперсия $ВС$ определяется дисперсией материала, межмодовой дисперсией (различной скоростью распространения разных мод в случае многомодового световода), волноводной дисперсией и поляризационной модовой дисперсией. В одномодовом световоде с очень малым двулучепреломлением дисперсия является суммой материальной и волноводной.

На рис. 3 представлены спектральные зависимости (зависимости от длины волны) материальной дисперсии кварцевого стекла и волноводной дисперсии $ВС$ из этого материала с различными профилями показателя преломления сердцевины. Рис. 3. Дисперсия одномодовых волоконных световодов на основе кварцевого стекла.Рис. 3. Дисперсия одномодовых волоконных световодов на основе кварцевого стекла.Видно, что дисперсия $ВС$ на основе кварцевого стекла имеет как отрицательную величину (нормальная дисперсия), так и положительную (аномальная дисперсия) и обращается в нуль на длине волны, зависящей от профиля показателя преломления.

Под фоточувствительностью $ВС$ понимают изменение показателя преломления стекла сердцевины под действием УФ-излучения определённых длин волн. За счёт изменения структуры стекла под действием УФ-излучения показатель преломления изменяется на $10^{–5}–10^{–3}$ от исходной величины и остаётся таким после окончания облучения. Фоточувствительность световода позволяет записывать в его сердцевине периодическое изменение показателя преломления по длине световода с периодом от доли микрометра до сотен микрометров, т. е. создавать определённое пространственное распределение показателя преломления, другими словами, – решётку показателя преломления. Решётки показателя преломления с периодом ${Λ}$ порядка длины волны излучения (т. н. брэгговские решётки) являются распределённым зеркалом, отражающим излучение с длиной волны ${λ=2nΛ}$, где ${n}$ – показатель преломления сердцевины. Такие брэгговские решётки широко применяются в различных волоконно-оптических приборах и системах в качестве распределённых отражателей, фильтров, дисперсионных элементов и др. Обычно брэгговские решётки записываются в $ВС$ при освещении его боковой поверхности, освобождённой от защитного покрытия, УФ-излучением с периодической структурой тёмных и светлых полос. Интерференционная картина создаётся с помощью фазовой маски, представляющей собой решётку из прозрачного диэлектрика (кварцевого стекла) с периодически изменяющейся толщиной.

Нелинейные свойства стёкол определяются нелинейной восприимчивостью третьего порядка ${χ^{(3)}}$, поскольку нелинейная восприимчивость второго порядка ${χ^{(2)}=0}$, т. к. стекло – изотропная среда. Эффективность нелинейных оптических явлений зависит от величин нелинейных коэффициентов среды, длины взаимодействия лазерного излучения со средой и его интенсивности. Нелинейные коэффициенты (действительная и мнимая части $χ^{(3)}$) в кварцевом стекле на $2–3$ порядка ниже соответствующих коэффициентов традиционных нелинейных материалов. Однако стеклянные $ВС$ являются перспективной нелинейной средой в силу их уникальных свойств: 1) низкие оптические потери позволяют наблюдать нелинейные явления в $ВС$ длиной до десятков километров; 2) малый диаметр сердцевины одномодовых $ВС$ ($3–10 \,мкм$) обеспечивает высокую интенсивность лазерного излучения на всей длине взаимодействия при умеренных мощностях (например, интенсивность излучения в сердцевине одномодового $ВС$ достигает величины порядка $1 \,МВт/см^2$ при мощности излучения всего $1 \,Вт$); 3) дисперсия изменяет знак в области их максимальной прозрачности. Эти свойства $ВС$ приводят к высокой эффективности нелинейных оптических явлений, таких как бриллюэновское и рамановское рассеяние, четырёхфотонное смешение, фазовая самомодуляция и других, наблюдаемых в $ВС$. Наиболее интересное нелинейное явление – генерация и распространение оптических солитонов в $ВС$ в спектральной области аномальной дисперсии. Оптический солитон – это оптический импульс определённой мощности, распространяющийся по $ВС$ без потерь и без изменения формы. Исследования оптических солитонов в $ВС$ позволили создать солитонные волоконно-оптические системы связи с высокой скоростью передачи информации.

Использование $ВС$ в качестве передающей среды в волоконно-оптических системах связи потребовало их высокой механической прочности. Теоретическая прочность кварцевого стекла составляет примерно ${18–20 \,ГПа}$. Реальная прочность высококачественных стеклянных $ВС$ значительно ниже из-за различного рода дефектов. Полимерные материалы, используемые в качестве защитных покрытий $ВС$, не являются герметичными, что определяет уровень прочности $ВС$ на уровне $6 \,ГПа$. Эта прочность вполне достаточна для многих практических применений, в т. ч. для прокладки подводного волоконно-оптического кабеля связи, с помощью которого соединены все континенты. Нанесение на $ВС$ герметичных покрытий, в частности металлических, повышает их прочность более чем в два раза.

Рис. 4. Сечение волоконного световода с воздушной сердцевиной и оболочкой, представляющей собой фотонный кристалл. Отношение диаметра воздушных отверстий и расстояния между ними определяет волноводные характеристики волоконного световода.Рис. 4. Сечение волоконного световода с воздушной сердцевиной и оболочкой, представляющей собой фотонный кристалл. Отношение диаметра воздушных отверстий и расстояния между ними определяет волноводные характеристики волоконного световода.Распространение света в $ВС$ происходит за счёт полного внутреннего отражения на границе сердцевина – оболочка благодаря более высокому показателю преломления сердцевины, чем оболочки. Однако существует иной механизм полного отражения света от оболочки, если она является диэлектриком с периодическим изменением показателя преломления, при этом период изменения ${Λ}$ сравним с длиной волны $\lambda$ распространяющегося излучения. В такой среде может существовать фотонная запрещённая зона – оптический аналог электронной запрещённой зоны в полупроводниках. Наличие фотонной запрещённой зоны означает, что существует область частот, на которых оптическое излучение не может распространяться в данном материале в любом направлении, а полностью отражается от него и распространяется по воздушной сердцевине. Оболочка из кварцевого стекла с воздушной сердцевиной является именно таким фотонным кристаллом. На рис. 4 показано сечение $ВС$ с воздушной сердцевиной и оболочкой из кварцевого стекла, содержащего структуру воздушных отверстий, расположенных вдоль оси $ВС$. В начале 21 в. созданы экспериментальные образцы $ВС$ с воздушной сердцевиной с минимальными оптическими потерями $1–10 \,дБ/км$ в ближней ИК-области спектра. Совершенствование технологии таких $ВС$ позволит снизить оптические потери до величины ниже уровня оптических потерь современных стеклянных $ВС$.