2. Волоконно-оптические линии связи

Переход на оптические частоты (10¹⁴ Гц) позволяет существенно увеличить информационную емкость систем связи и передачи информации. Для очень грубой оценки достаточно поделить указанное значение оптической частоты на полосу частот канала связи, например, 10⁷ Гц (характерное значение для телевизионного канала). В результате получим, что по одному волоконно-оптическому каналу связи можно передать более миллиона телевизионных программ. Эти возможности оптической связи более всего поражали воображение после того, как были изобретены лазеры – источники высококогерентного излучения.

Однако сразу же возникла проблема, связанная с тем, как передать модулированный по интенсивности оптический луч на большие расстояния. Использование оптических световодов для этой цели первоначально считалось невозможным из-за огромных потерь (поглощение, рассеяние) света в стекле. Достаточно вспомнить, что свет почти полностью поглощается при прохождении в оконном стекле расстояний в несколько сантиметров. А требуется, чтобы луч проходил в стекле (кварце) сотни метров, практически не ослабляясь. Сейчас это выглядит дико, но первоначально в качестве светопроводов предлагалось использовать подземные туннели, наполненные газом с неоднородной в поперечном сечении плотностью.

Во второй половине 60-х годов ХХ века произошла революция в технологии изготовления оптических светодоводов: были получены световоды с потерями около 20 децибелл на километр (дБ/км). Чтобы понять смысл этой цифры, вспомним, что в дБ/км измеряют отношение энергии (мощности, интенсивности) сигнала на выходе и входе. Если на входе в световод длиной в 1 км интенсивность света равна I₀, а на выходе I < I₀, то потери составляют 10lg(I₀/I) дБ/км. Указанное значение 20 дБ/км означает, что интенсивность на выходе световода длиной 1 км всего (!) в 100 раз меньше, чем на входе. С такими интенсивностями уже можно было работать. Однако прогресс в создании высококачественных волоконных световодов был столь стремителен, что уже скоро появились образцы с потерями 2 дБ/км, а сейчас речь идет уже о потерях ~ 0,2 дБ/км, что соответствует уменьшению интенсивности света всего на несколько процентов при прохождении световода длиной в 1 км. Именно с такими волоконными световодами стало возможно создание Интернета.

Однако перед этим потребовалось решить еще одну проблему, связанную с рассмотренным в п. 8.1.4 эффектом модовой дисперсии. Дело в том, что если входной торец световода ортогонален боковым граням, то при , где n – показатель преломления материала (относительно воздуха), свет, падающий на этот торец под любым углом, «удерживается» световодом за счет ПО. Действительно, пусть угол падения луча на входной торец равен i (рис. 8.7). Тогда угол преломления i′ определяется законом Снеллиуса

sin i = n sin i´.

Преломленный луч падает на боковую поверхность под углом t = (π/2) - i′. Для полного отражения от боковой стенки необходимо, чтобы выполнялось соотношение t > t_пр, где sin t_пр = 1/n. Таким образом, sin t = cos i′ ≥ (1/n). Но

,

откуда . Учитывая, что sin²i ≤ 1, получаем n² ≥ 2. Таким образом, условие ПО реализуется для всех углов падения на входной торец световода из кварца (n = 1,5). К чему это приводит?

Пусть на стеклянный (кварцевый) волоконный световод (без оболочки, о которой пойдет речь ниже), находящийся в воздухе, падает последовательность коротких световых импульсов, создаваемых источником с широкой диаграммой направленности, например, светодиодом. Каждый из этих импульсов возбуждает в световоде множество волн, распространяющихся под разными углами к стенкам световода и имеющих разные скорости вдоль оси световода (вспомним демонстрацию модели световода в п. 8.1.4). В результате ширина каждого светового импульса на выходе достаточно длинного световода может существенно увеличиться, стать больше промежутков между импульсами на входе. Отдельные импульсы на выходе световода при этом станут просто неразличимыми, что приведет к потере информации, которая обычно заключена именно во временнóм интервале между импульсами.

Для уменьшения этого вредного эффекта необходимо ограничить возможные углы, под которыми могут распространяться световые пучки в световоде, что достигается специальной двухслойной конструкцией световода. При этом показатель преломления сердцевины световода n₁ лишь незначительно отличается от показателя преломления оболочки n₂: n₁ – n₂ ~ 0,01. В этом случае световод «удерживает» только излучение, падающее на входной торец под небольшими углами к оси световода. Остается только выбрать источник излучения, который обладает малой расходимостью. Таким источником является лазер, причем в волоконной оптике используются исключительно полупроводниковые лазеры¹.

В лекционной демонстрации используется многомодовый световод с диаметром кварцевой сердцевины 50 мкм, кварцевой оболочки 120 мкм, покрытый дополнительными защитными оболочками, обеспечивающими механическую прочность световода. Ввод излучения лазера² осуществляется с помощью микрообъектива, формирующего требуемый для данного световода конус световых пучков. Выходное излучение световода также имеет малую расходимость (~ 12 градусов), которая позволяет приближенно оценить разность показателей преломления сердцевины и оболочки. Действительно, легко показать (аналогично тому, как это было сделано выше), что угол θ, определяющий расходимость излучения на выходе световода (см. рис. 8.12), связан с разницей показателей преломления сердцевины (n₁) и оболочки (n₂) соотношением

,

где Δ = n₁ – n₂, n₁ ~ n₂. Измеренное значение θ для световода, используемого в настоящей демонстрации, равно ~ 6⁰, значит Δ = n₁ – n₂ ~ 0,002.

Рис. 8.12. Сечение световода.

Волоконный световод, предназначенный для лекционной демонстрации, хорошо и эффектно виден в затемненной аудитории¹. Однако такая видимость не свидетельствует о его хорошем качестве, так как означает большие потери света при прохождении световода. Высококачественные световоды обладают столь малыми потерями на поглощение и рассеяние, что распространение света в нем абсолютно не видно.