на первый взгляд, довольно проста: прозрачные сердцевина и оболочка, заключенные в кожух, защищающий световод и придающий ему необходимую жесткость. Рис. 1 поясняет конструкцию световода и процесс распространения в нем света с позиций геометрической оптики. Лучи распространяются вдоль сердечника, в пределах которого удерживаются за счет полного внутреннего отражения. Последнее, как известно, наблюдается в тех случаях, когда свет падает на границу раздела со стороны среды с большим показателем преломления. Поэтому при выборе материалов для сердцевины и оболочки необходимо обеспечить неравенство n1<.n2, где n1 — коэффициент преломления оболочки, n2 — сердцевины.

Рис. 1. Конструкция световода со ступенчатым профилем коэффициента преломления: 1 — оболочка; 2 — сердечник; 3 — профиль коэффициента преломления

Различие в величине коэффициентов преломления n1 и n2 материалов, используемых при изготовлении волокон, невелико, мал поэтому и критический угол наклона луча к оси волокна, пропорциональный квадратному корню из ∆ n = n2 - n1, для которого условия полного внутреннего отражения не нарушены. В этом и скрыта одна из причин, по которой только с появлением лазеров стало возможным вводить в относительно тонкие волокна достаточно высокий по интенсивности световой поток. Однако не все компоненты потока, попавшие в конус с углом раскрытия, равным удвоенному критическому, будут в дальнейшем полезно использованы. Из-за неблагоприятных фазовых соотношений часть потока быстро рассеется через границу раздела. Наиболее благоприятны условия распространения, когда на отрезке траектории между двумя последовательными отражениями умещается целое число полуволн оптической несущей. В результате идет сепарация компонент: для тех, которые удовлетворяют названному условию, волокно относительно прозрачно, остальные, по сути, подавляются. Этим формируются так называемые моды — дискретный набор разрешенных волн.

С позиций геометрической оптики моды различаются по углу наклона оси соответствующих компонент. При этом скорость передачи сигнала по волокну определяется не скоростью света в среде, а ее проекцией на ось волновода, зависящей от номера моды. В оптическом волокне, диаметр которого значительно превышает длину волны оптической несущей, возбуждается множество мод. Из-за различия в скоростях короткий на входе оптический импульс на выходе окажется растянутым на время запаздывания наиболее медленной моды. Величина, обратная времени запаздывания, в многомодовых волоконнооптических линиях связи определяет верхнюю границу передаваемых частот. Последняя, очевидно, обратно пропорциональна длине соединительной линии.

С уменьшением диаметра сердцевины дифракционные эффекты «размывают» траектории компонент соответствующих мод. При размерах диаметра, сравнимых с длиной волны оптической несущей, моды начинают перекрываться — в результате разрешенный режим распространения волны становится одномодовым. В этом случае дисперсия — минимальна, полоса передаваемых частот — максимальна. Одномодовый режим обеспечивает максимум одного из главных коэффициентов, характеризующих пропускную (по потоку информации) способность оптического волокна, — его размерность [дБ/км] указывает на снижение верхней границы передаваемых частот с ростом длины волокна. В этом режиме и при потерях менее 0,5 дБ/км волоконнооптические линии связи длиной до 20-40 км не требуют промежуточных пунктов регенерации сигнала. Однако природа не допускает выигрыша в чистом виде. В одномодовых световодах соответствующее снижение входной апертуры связывает расширение полосы со снижением энергетических характеристик вводимого луча.

Если строго следовать законам геометрической оптики, то каналом переноса света является только сердечник оптического волокна, а значит, казалось бы, при чрезвычайно жестких требованиях к гомогенности состава, однородности и отсутствию примесей, а также микродислокаций в материале сердечника к оболочке, на первый взгляд, требования существенно мягче. На самом деле с учетом волнового характера процесса картину, рисуемую геометрической оптикой, следует дополнить неоднородной волной Реллея, которая распространяется вдоль границы. Амплитуда колебаний в поле поверхностной волны с удалением от границы раздела спадает по экспоненциальному закону, поток энергии ортогонален границе и промодулирован с частотой несущей так, что средняя по периоду величина потока оказывается нулевой.

Сказанное относится к идеально прозрачным средам. При наличии потерь, рассеивающих примесей, микротрещин и других факторов и центров рассеяния в оболочке поток энергии неоднородной волны частично преобразовывается в поток обыкновенной объемной и покидает волноводный канал. Поэтому исходные требования к чистоте, гомогенности и другим параметрам материала для сердечника и оболочки в принципе одинаковы.

Рис. 2. Световод с градиентным профилем показателя преломления

До сих пор речь шла о световодах со ступенчатым профилем показателя преломления. В световодах с переменным показателем преломления сердцевины (рис. 2) можно существенно ослабить требования к качеству границы раздела и оболочки. Если коэффициент n2 монотонно нарастает от границы раздела к оси, то световой поток за счет эффекта автофокусировки будет стягиваться к оси волновода.

Материалами для световодов являются пластмассы (при длине световода до нескольких сотен метров) и стекло. Дисперсионная кривая для стекла медленно спадает в сторону больших длин волн, при этом из-за примеси гидроксильных групп для волн на Λ = 1,25 и Λ = 1,4 мкм наблюдаются полосы поглощения, а в промежутке между ними на λ =1,3 мкм — минимум поглощения. Эта область считается наилучшей для волоконнооптических кабелей на основе стекла. Другой часто используемый диапазон приходится на полосу 0,9-1,2 мкм. В качестве источников излучения применяются обычно полупроводниковые лазеры на основе арсенида или фосфида галлия. Они излучают из зоны p-n — перехода, размеры которой достаточно хорошо согласованы с размерами сердечника типичного световода.

Одна из сложных проблем — соединение волокон. При дальности передачи по волоконнооптической линии менее 1 км волокна обычно наращиваются с помощью относительно простых и дешевых соединителей, поскольку в этих случаях потери света из-за ошибок в совмещении осей и неконтакта не играют серьезной роли. Иная ситуация в технике дальней связи, где снижение возможных потерь света играет существенно важную роль. Типичное требование к таким соединителям по потерям — не более 0,5-1 дБ. Выполнить его можно только за счет высокой точности соединения и, следовательно, точности изготовления (механические допуски менее микрометра) деталей соединителя.

В технике трудно найти другой пример, когда появление нового средства сулит столь много преимуществ, какими обладает волоконнооптический кабель в сравнении с коаксиальным, и содержит так мало недостатков. Пожалуй, единственный из них заключается в трудности наращивания. Ничтожные в сравнении с коаксиальными кабелями удельные потери мощности несущей сигнала обеспечивают дальность передачи по волоконнооптическому кабелю на 30-50 км без промежуточной регенерации. Практически неограниченные источники сырья, малая масса и уровни мощности несущей — все это преимущества, определившие буквально взрыв интереса к волоконнооптическому кабелю. В США и Канаде, во Франции и Италии — фактически повсюду в магистральных каналах связи высокими темпами идет замена коаксиальных кабелей на волоконнооптические. Они уже пересекли океаны. Волоконнооптические соединительные линии все шире используются для разводки сигналов на телецентрах и, конечно же, надо упомянуть о кабельном телевидении, наращивание сети которого сейчас ведется преимущественно с использованием волоконной оптики. ЧИРКОВ Л. Е., "Экспожурнал" № 2, 4/90