Оптическое волокно Краткое описание принципов работы

Оптическое волокно представляет собой диэлектрический волновод, изготовленный из кварцевого стекла. Он имеет световедущую сердцевину с показателем преломления света n1, окруженную оболочкой с показателем преломления n2, причем n1>n2.

Рисунок - Угол полного внутреннего отражения волокна

Попадая в световедущую сердцевину, свет распространяется в ней за счет эффекта полного внутреннего отражения. Этот эффект имеет место при падении луча света на границу раздела двух сред из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем n2, и наблюдается только до определенных значений угла падения θ_КР, величина которого определяется различиями n1 и n2

Согласно законам оптики значение θ_КР определяет соотношение:

Лучи света, падающие на границу раздела n1/n2 под углами большими θ_КР будут распространяться в световедущей сердцевине с очень малыми потерями, а лучи не удовлетворяющие этому условию - выходить в оболочку и быстро затухать.

Как новая физическая среда для передачи информации оптическое волокно имеет ряд существенных преимуществ, по сравнению с другими, среди которых:

1. Широкая полоса частот (до 10¹⁴ Гц) и низкое затухание света в волокне (~ 0,1-0,2 дБ/км) обеспечивают передачу массивов информации с высокими скоростями и на большие расстояния (до сотен километров без регенерации сигнала).

2. Кварцевое стекло как среда передачи нечувствительно к электромагнитным полям. Поэтому волокно может прокладываться вместе с силовыми кабелями, без опасности возникновения наведенных помех и ошибок при передаче информации.

3. Оптическое волокно пожаровзрывобезопасно, в волоконно-оптических сетях обеспечивается гальваническая развязка между передающим и приемным оборудованием.

4. Оптическое волокно, как канал связи, имеет высокую степень защиты от прослушивания и несанкционированного съема информации.

5. Низкие удельные массогабаритные показатели в расчете на единицу передаваемой информации.

Существует два типа оптических волокон: многомодовые (ММ) и одномодовые (SM), отличающиеся диаметрами световедущей сердцевины. Многомодовое волокно, в свою очередь, бывает двух типов: со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления по его сечению.

Рисунок - Многомодовое оптическое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления

Диаметр сердцевины оптического волокна со ступенчатым профилем показателя преломления лежит в пределах от 100 до 200 мкм; значение показателя преломления n1 по всему поперечному сечению сердцевины постоянно и резко падает (ступенчатый) на границе с оболочкой.

В ступенчатом волокне могут возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным распределением по сечению и длине волокна. Моды имеют различные оптические пути и, следовательно, различные времена распространения по волокну, что приводит к уширению импульса света по мере его прохождения по волокну. Это явление называется межмодовой дисперсией и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации по волокну. Область применения ступенчатых волокон короткие (до 1 км) линии связи со скоростями передачи информации до 100 Мбайт/с, рабочая длина волны излучения, как правило, 0,85 мкм.

В многомодовом оптическом волокне с градиентным профилем показателя преломления значение показателя преломления плавно изменяется от центра к краям сердцевины по определенному закону. Благодаря этому число распространяющихся в сердцевине мод и различия в длинах оптических путей этих мод значительно уменьшаются и соответственно уменьшается и дисперсия.

Рисунок - Многомодовое оптическое волокно с градиентным показателем преломления

Градиентное волокно в соответствии со стандартами имеет диаметр сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр оболочки 125 мкм. Оно применяется во внутриобъектовых линиях длиной до 5 км, со скоростями передачи до 100 Мбайт/c на длинах волн 0,85 мкм и 1,35 мкм.

Стандартное одномодовое оптическое волокно имеет диаметр сердцевины 9 мкм и диаметр оболочки 125 мкм .

Рисунок - Одномодовое оптическое волокно

В этом волокне существует и распространяется только одна мода (точнее две вырожденные моды с ортогональными поляризациями), поэтому в нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5 Гбит/с и выше без регенерации. Рабочие длины волн l1 = 1,31 мкм и l2 = 1,55 мкм.

Главной тенденцией в развитии волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) является увеличение скорости передачи информации и полосы частот передаваемых по волокну сигналов. В настоящее время уже существуют коммерческие ВОЛС, обеспечивающие скорости передачи информации до 100 Гбит/с, и имеются все предпосылки и технические возможности для создания ВОЛС на скорости передачи информации до 1000 Гбит/с на расстояния до тысячи километров.

Многомодовое волокно отличается большим диаметром (50 мкм), что позволяет вводить в волокно большую мощность и облегчает операцию сращивания.

В качестве излучателей широко применяются полупроводниковые лазеры и светоизлучающие диоды (СИД). Лазеры также могут быть одномодовые и многомодовые .

Мощности лазеров лежат в пределах от 1 до 10 мВт, при токах накачки от 20 до 50 мА.

При таких скоростях в ВОЛС не могут быть использованы блоки обычной электроники и поэтому разрабатываются новые элементы оптических методов обработки сигналов. Оптические усилители, триггеры, коммутаторы, накопители, интеграторы, линии задержки, фильтры.