Немного теории оптического волокна

Из школьного курса физики нам известно, что свет или световая волна проходит значительное расстояние с гораздо большей скоростью, чем электрический ток. Поэтому, в настоящий момент мы видим, что по мере развития оптоволоконных технологий, это преимущество все чаще ставится в основу возникновения новейших достижений в области волоконной оптики.

Теперь на смену обычным медным кабелям пришли оптические, имеющие неоспоримое превосходство по сравнению с первыми. Помимо высокой скорости передачи информации, они не зависимы от влияния электромагнитных полей, надежны в плане производимых потерь и более долговечные. Однако, чтобы правильно реализовать проект по проведению волоконных линий связи, и в полной мере насладиться всеми преимуществами оптических волокон, полезно знать основные принципы теории и законов оптики.

Существует волновая теория света, согласно которой свет рассматривается как электромагнитная волна определенной длины и чтобы ее передавать на расстояния, нужно создавать изолированные оптически прозрачные среды. Наверно, вы помните, что в однородной среде свет идет прямолинейно, отражаясь от поверхности раздела среды и, как только он переходит через другую границу среды, начинает преломляться под определенным углом по отношению к первой среде. Используя физический закон поведения светового луча, в волоконной оптике добились управления световым потоком, передавая его по назначению с применением определенной среды.

Для сохранения мощности светового импульса на дальних расстояниях требуется снижение потерь информации, которое достигается за счет получения прозрачной среды, препятствующей поглощению света и выверенной линии пути луча света. Если прозрачную среду можно получить, используя, к примеру, современное кварцевое стекло, то обеспечение точной траектории луча зависит от знания и правильного применения вышеприведенного закона оптики.

Ввиду того, что практически невозможно гарантировать идеальное прохождение светового излучения строго по вытянутой линии, часто создается такая ситуация, что импульс содержит несколько волн (мод), которые проходят по всему кабелю к приемнику не одновременно, а с некоторым интервалом времени. Те моды, которые проходят прямолинейно, быстрее добираются до конца тракта кабеля, другие – зигзагообразно и, следовательно, немного запаздывают. Этот временной диапазон прохождения разных волн или мод одного излучения и называется межмодовой дисперсией.

Световые волны, помимо разного прохождения траектории, имеют и неодинаковый диапазон длин, отсюда, если вспомнить законы физики, становится понятно, почему короткие волны быстрее достигают конечной цели, чем длинноволновые. Эта разница во времени получила название межчастотной дисперсии.

Если сердечник кабеля имеет неоднородные участки среды, световые волны будут неодинаково совершать свою траекторию и, следовательно, придут к концу кабеля в разное время. Эта временная разница, проистекающая от зависимости распространения волн от неоднородности среды сердечника в световоде, называется материальной дисперсией.

Любая дисперсия отрицательно влияет на ширину пропускания канала кабеля, так как импульсы на конце волокна, благодаря дисперсионному влиянию, становятся нечеткими, что влечет за собой увеличение интервалов между очередными сигналами. Решить эту проблему можно, если уменьшить число входящих в световод лучей света или мод.

Многомодовое ступенчатое волокно

В зависимости от используемого типа сердечника кабеля, различаются и вариации оптоволокна. Самым традиционным считается сердечник с кварцевым стеклом, содержащим равномерную плотность, у многомодового ступенчатого волокна эта плотность содержит ступенчатые слои. При большом радиусе такого световода эффект межмодовой дисперсии влияет на качество оптоволокна сильнее, чем межчастотная и материальная, поэтому в расчетах ширины пропускаемости канала обращают внимание именно на межмодовую дисперсию.

Из всех распространенных типов диаметра сердечника волокна (100, 62.5 и 50 мк), наилучшими показателями в пропускной способности обладает 50-тимикронное оптическое волокно, с рабочими длинами волн 850 нм, 1300 нм и 1500 нм.

Если для ступенчатого волокна, рассмотренного выше, характерна равномерность плотности сердечника на всем протяжении световода, то для градиентного волокна плотность местами может меняться. И явление межмодовой дисперсии намного ниже, по сравнению со ступенчатым волокном. Немного поясним. Поскольку плотность меняется, начиная от центральной части к внешнему радиусу световода, световые лучи, переходя из более плотной в менее плотную часть развивают большую скорость. Несмотря на приличную траекторию движения, они быстрее достигают конца кабеля с меньшим разбросом временного интервала между различными импульсами. Отсюда и ниже межмодовая дисперсия.

По аналогии с многомодовыми ступенчатыми волокнами, градиентные имеют те же диаметры - 100, 62.5 и 50 мк, с частотами 850 нм, 1300 нм и 1500 нм.

В одномодовых волокнах, в отличие от многомодовых, по световоду меньшего диаметра (около 8 мк) распространяется единственный луч (мода) и в этом случае благодаря наличию одного импульса, а, следовательно, отсутствию межмодовой дисперсии, значительно возрастает пропускная ширина такого кабеля. В одномодовых также существуют варианты ступенчатого и градиентного волокна, последний, в нашем случае, имеет гораздо большую результативность в скорости прохождения и приема сигналов.

В плане стоимости одномодовые стоят существенно дороже и поэтому нашли свое применение в сфере телекоммуникации, в то время как многомодовые с успехом используются в локальных компьютерных сетях.

Помимо проблем межмодовой и других дисперсий есть и серьезная проблема в поддержании мощности посылаемых импульсов, поскольку в световой волне по закону оптики, наличествует эффект поглощения и рассеивания, что ведет к изменению в другой вид энергии и в преобразовании химических связей между элементами световода (кремний и кислород). Чтобы добиться оптимального соотношения между поглощением и рассеиванием, были выделены три окна в узких диапазонах длин волн, в которых наблюдается наименьшее затухание вследствие рассеивания луча.

Благодаря найденным окнам прозрачности стало возможным использовать диапазоны длин в 850 нм, 1300 нм и 1500 нм, причем первое значение более характерно для многомодового волокна, а 1500 нм – для одномодовых волокон.

Использование длины волны в 1500 нм обеспечивает довольно высокое качество передаваемого сигнала, которое опережает по скорости предыдущие длины. Оно обходится недешево, поскольку не все подключаемое оконечное оборудование может использовать подобный максимальный диапазон, требующий наличие лазерных источников.