Оптическое волокно с переменным показателем преломления: принцип работы и типы

Ключевой проблемой ранних волоконно-оптических систем связи являлась дисперсия – искажение сигнала из-за разной скорости распространения световых мод. Решением стало создание градиентного оптического волокна, в котором коэффициент преломления плавно уменьшается в радиальном направлении от центра к периферии. Такая структура позволяет компенсировать разницу во времени прихода различных мод, значительно повышая пропускную способность канала. Однако технология изготовления волокна с идеально плавным градиентом оказалась чрезвычайно сложной и дорогостоящей.

На практике для упрощения производства было разработано многокомпонентное волокно, состоящее из нескольких концентрически расположенных слоев с различными, дискретными значениями коэффициента преломления. На рисунке 10.11 схематически изображено поперечное сечение такого световода. Эта конструктивная особенность позволяет аппроксимировать плавный градиентный профиль, сохраняя при этом управляемость технологическим процессом. Волоконно-оптический кабель такой конструкции получил название оптического волокна с переменным показателем преломления или градиентного волокна.

Рис. 10.11. Оптическое волокно с переменным показателем преломления

Световые лучи, или моды, в таком волокне распространяются по волнообразным траекториям, непрерывно преломляясь на границах слоев. Скорость распространения светового пучка оказывается выше в слоях, расположенных дальше от оптической оси, где коэффициент преломления материала меньше. В результате моды более высокого порядка, которые проходят длиннее путь ближе к оболочке, распространяются быстрее, чем моды низкого порядка, концентрирующиеся рядом к оси. Этот эффект синхронизации приводит к значительному снижению межмодовой дисперсии по сравнению со ступенчатым оптическим волокном.

Общее количество мод, способных распространяться в градиентном волокне, определяется его конструктивными параметрами и может быть вычислено по формуле (10-16).

Важнейшей характеристикой, определяющей светособирающую способность волокна, является числовая апертура. В волокне с переменным показателем преломления суммарный коэффициент преломления, определяющий числовую апертуру, рассчитывается как усредненное значение от показателей преломления всех концентрических слоев. Эта величина напрямую влияет на эффективность ввода излучения в волокно.

Для дальнейшего сокращения дисперсионных искажений были разработаны одномодовые оптические волокна (в терминологии, принятой в Соединенном Королевстве Великобритании, также используется наименование одномодовых). Их работа основана на использовании критической, или фундаментальной, моды, обозначаемой HE11 по аналогии с классификацией мод в СВЧ-технике. Конструктивной особенностью таких световодов является исключительно малый диаметр сердцевины, типично составляющий от 5 до 8 мкм, что сопоставимо с длиной волны посланной излучением.

Критический диаметр сердцевины, необходимый для реализации одномодового режима работы, определяется длиной волны света и разностью показателей преломления сердцевины и оболочки, что выражается формулой (10-17).

При таком малом диаметре в волокне может устойчиво распространяться лишь одна мода – HE11. Кардинальное уменьшение количества распространяющихся мод приводит к практическому устранению межмодовой дисперсии как физического явления. Это открывает возможность для передачи данных на экстремально высоких скоростях или обеспечения очень широкой полосы пропускания для аналоговых сигналов, что является стандартом для современных магистральных линий связи.

Таким образом, эволюция от многомодовых градиентных волокон к одномодовым стала решающим шагом в развитии телекоммуникаций. Борьба с дисперсией путем управления профилем показателя преломления и ограничения количества мод позволила достичь тех гигантских пропускных способностей, которые характеризуют современные информационные сети. Понимание физических принципов, таких как распространение моды HE11 и расчет критического диаметра, остается фундаментальным для инженеров, проектирующих системы оптической связи.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.