Оптические волокна изготавливаются из стекла или пластика. Большинство из них примерно соответствует диаметру человеческого волоса, и они могут быть длиной в много миль. Свет передается по центру волокна от одного конца к другому, и туда может быть наложен сигнал. Волокно-оптические системы превосходят металлические проводники во многих областях применения. Их наибольшее преимущество – пропускная способность. Из-за длины волны света можно передавать сигнал, который содержит значительно больше информации, чем это возможно с металлическим проводником – даже с коаксиальным проводником. Другие преимущества:

• Электрическая изоляция. Волоконная оптика не нуждается в заземлении. Как передатчик, так и приемник изолированы друг от друга и поэтому не имеют проблем с заземлением. Кроме того, нет опасности искры или поражения электрическим током.
• Свобода от электромагнитных помех. Волоконная оптика невосприимчива к электромагнитным помехам (EMI), и они сами не излучают, чтобы вызвать другие помехи.
• Низкие потери мощности. Это позволяет использовать более длинные кабельные трассы и меньше количество ретрансляционных усилителей.
• Легче и меньше. Волокно весит меньше и требует меньше места, чем металлические проводники с эквивалентной пропускной способностью.

Медная проволока примерно в 13 раз тяжелее. Волокно также проще в установке и требует меньше места в канале.

 Применения

Некоторые из основных областей применения оптических волокон:

• Коммуникационные линии. Передача голоса, данных и видеосигнала является наиболее распространенным применением волоконной оптики, в том числе:

– Телекоммуникации

– Локальные сети (ЛВС)

– Промышленные системы управления

– Авионические системы

– Военные системы управления, контроля и связи

• Детектирование. Волоконно-оптическая система может использоваться для передачи света от удаленного источника к детектору для измерения давления, температуры или спектральной информации. Волокно также может использоваться непосредственно в качестве преобразователя для измерения ряда воздействий окружающей среды, таких как деформация, давление, электрическое сопротивление и рН. Изменения окружающей среды влияют на интенсивность света, фазу и / или поляризацию способами, которые могут быть измерены на другом конце волокна.
• Перенос электроэнергии. Оптические волокна могут обеспечить чрезвычайно высокий уровень мощности для таких задач, как лазерная резка, сварка, маркировка и сверление.
• Освещение. Пучок волокон, вместе с источником света на одном конце может освещать области, которые труднодоступны, например, внутри человеческого тела, в сочетании с эндоскопом. Кроме того, они могут использоваться в качестве подсветки или просто как декоративное освещение.

Рисунок 1. Оптическое волокно состоит из сердцевины, оболочки и покрытия.

 Конструкция

Оптическое волокно состоит из трех основных концентрических элементов: сердцевины, оболочки и внешнего покрытия (рис. 1).

Сердцевина обычно изготавливается из стекла или пластика, хотя иногда используются другие материалы в зависимости от желаемого спектра пропускания.

Сердцевина представляет собой светопередающую часть волокна. Обычно оболочка изготавливается из того же материала, что и сердцевина, но с немного более низким показателем преломления (обычно примерно на 1 процент ниже). Эта разность показателей преломления  вызывает полное внутреннее отражение на границе м/у разными показателями преломления по всей длине волокна, так что свет передается по волокну и не проходит через боковые стенки.

Рисунок 2. Пучок света, проходящий из одного материала во второй с другим показателем преломления, отклоняется  или преломляется на границе раздела

Покрытие обычно содержит одно или несколько слоев пластикового материала для защиты волокна от воздействий среды. Иногда металлическая оболочка добавляется к покрытию для физической защиты.

Оптические волокна обычно определяются их размерами, указанными как внешний диаметр сердечника, оболочки и покрытия. Например, 62,5 / 125/250 относится к волокну с сердечником диаметром 62,5 мкм, оболочкой диаметром 125 мкм и диаметром внешнего покрытия 0,25 мм.

 Основные положения

Оптические материалы характеризуются показателем преломления, обозначаемым n. Показателем преломления материала является отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде. Когда луч света переходит из одного материала в другой с другим показателем преломления, луч отклоняется (или преломляется) на границе раздела (рис. 2).

Преломление описывается законом Снеллиуса:

где n_I и n_R – показатели преломления материалов, через которые проходит луч, а I и R – углы падения и преломления луча. Если угол падения больше критического угла (обычно около 82° для оптических волокон), свет отражается от границы обратно в среду без потерь посредством процесса, известным как полное внутреннее отражение (рис. 3).

Рисунок 3. Полное внутреннее отражение позволяет свету оставаться внутри сердцевины волокна.

Посмотрите видео о полном внутреннем отражении на EDU.Photonics.com.

Моды

Когда свет распространяется по волокну (когда микроволны распространяются по волноводу), фазовые сдвиги происходят на каждой отражающей границе. Существует конечное дискретное число путей по оптическому волокну (известное как моды), которые производят конструктивные ( в фазе и, следовательно, суммируемые) фазовые сдвиги, которые усиливают передачу. Поскольку каждая мода возникает под другим углом к оси волокна, когда луч перемещается вдоль длины, каждая из них проходит разную длину от входа к выходу. Только одна мода, мода нулевого порядка, перемещается по  волокну без отражений от боковых стенок. Это известно как одномодовое волокно. Фактическое количество мод, которые могут распространяться в данном оптическом волокне, определяется длиной волны света, диаметром и показателем преломления сердцевины волокна.

Затухание

Сигналы теряют интенсивность, когда они распространяются по волокну; это известно как ослабление луча. Затухание измеряется в децибелах (дБ) по соотношению:

где P_in и P_out – это входная и выходная мощности. В приведенной ниже таблице показана мощность, обычно теряемая в волокне для нескольких значений затухания в децибелах.

Затухание оптического волокна зависит от длины волны. В экстремумах кривой пропускания преобладает многофотонное поглощение. Затухание обычно выражается в дБ/км на определенной длине волны. Типичные значения варьируются от 10 дБ/км на 850 нм для волокон со ступенчатым профилем показателя до нескольких десятых дБ/км для одномодовых волокон на 1550 нм.

В оптическом волокне есть несколько причин затухания:

• Рэлеевское рассеяние. Изменения в показателях преломления материала сердцевины в микроскопическом масштабе могут вызвать значительное рассеяние луча, что приводит к значительным потерям оптической мощности. Рэлеевское рассеяние зависит от длины волны и менее значимо на более длинных волнах. Это самый важный механизм потерь в современных оптических волокнах, который, как правило, составляет до 90 процентов от всех потерь.
• Поглощение. Современные методы производства уменьшили поглощение, вызванное посторонними включениями (в первую очередь водой в волокне) до очень низких уровней. В полосе пропускания волокна потери из-за поглощения незначительны.
• Изгибы. Методы производства могут создавать мелкие изгибы в геометрии волокна. Иногда эти изгибы будут достаточно большими, чтобы свет внутри ядра попадал в границу сердцевина/оболочка меньше чем под критическим углом, и свет пройдет в материал оболочки. Это также может произойти, когда волокно согнуто в изгиб малого радиуса (меньше, скажем, нескольких сантиметров). Чувствительность к изгибам обычно выражается в потерях дБ/км для конкретного радиуса изгиба и длины волны.

Рисунок 4. Числовая апертура зависит от угла при котором лучи входят в волокно и от диаметра сердцевины волокна.

Числовая апертура

Числовая апертура (NA), показанная на рисунке 4, представляет собой меру максимального угла, при котором световые лучи будут входить и распространяться по волокну. Она выражается следующим уравнением:

Дисперсия

Когда оптические импульсы распространяются по волокну, они расширяются или удлиняются во времени. Это называется дисперсией. Поскольку импульсы в конечном итоге станут настолько несинронизированными, что они начнут перекрывать друг друга и портить данные, дисперсия устанавливает верхний предел пропускной способности волокна. Для этого расширения существуют три основные причины:

• Хроматическая дисперсия. Различные длины волн движутся с разной скоростью по волокну. Поскольку типичные источники света создают некоторый диапазон длин волн, а не одну дискретную спектральную линию, импульсы должны распространяться по длине волокна по мере их поступления. Высокоскоростные лазеры, используемые в коммуникациях, имеют очень узкие спектральные характеристики выходного излучения, что значительно снижает эффект хроматической дисперсии.
• Модальная дисперсия. Различные моды волокна отражаются под разными углами по мере продвижения по волокну. Поскольку каждый модальный угол создает несколько другую длину пути для луча, моды более высокого порядка достигают выходного конца волокна за модами более низкого порядка.
• Дисперсия волновода. Эта незначительная причина рассеяния обусловлена геометрией волокна и приводит к разным скоростям распространения для каждой из мод.

Диапазон пропускания

Диапазон пропускания измеряет пропускную способность оптического волокна и выражается как произведение частоты данных и пройденного расстояния (как правило, МГц*км или ГГц*км). Например, волокно с диапазоном пропускания 400 МГц*км может передавать 400 МГц на расстояние 1 км или передавать 20 МГц данных на 20 км. Основной предел пропускной способности – это уширение импульсов, что обусловлено модальной и хроматической дисперсией волокна. Типичные значения для разных типов волокон:

Передача мощности

Количество энергии, которую волокно может передавать (без угрозы повреждения), обычно выражается максимально допустимой плотностью мощности. Плотность мощности это отношение максимальной выходной мощности лазера и площади лазерного луча. Например, 15Вт лазерный луч, фокусируемый на пятно диаметром 150 мкм, создает плотность мощности

Выходное излучение импульсного лазера (обычно заданное в миллиджоулях за импульс) должно быть сначала преобразовано в мощность на импульс. Например, импульсный лазер, который создает импульс с энергией 50 мДж и длительностью 10 нс, обеспечивает выходную мощность

Затем плотность мощности можно рассчитать по размеру пятна.

Чтобы передать абсолютные максимальные энергии по волокну, концевые поверхности волокна должны быть абсолютно гладкими и отполированными и перпендикулярными оси волокна и световому лучу. Кроме того, диаметр луча должен быть не более примерно половины площади сердцевины (или диаметра сердцевины). Если луч не сфокусирована должным образом, часть энергии может пройти в оболочку, что может быстро повредить кварцевое оптоволокно с полимерным защитным покрытием. По этой причине лучше использовать кварцевое волокно с кварцевой оболочкой в приложениях с более высокой плотностью мощности.

 Типы волокон

Существует в основном три типа оптического волокна: одномодовое, многомодовое с плавным изменением показателя преломления и многомодовое со ступенчато-изменяющимся показателем преломления. Они характеризуются тем, как свет распространяется по волокну и зависят как от длины волны света, так и от механической геометрии волокна. Примеры распространения света в таких волокнах показаны на рисунке 5.

Рисунок 5. Распространение мод в волокне.

Одномодовое волокно

В одномодовом волокне распространяется только основная мода нулевого порядка. Световой луч проходит прямо через волокно без отражений от боковых стенок оболочки. Одномодовое волокно характеризуется значением предельной длины волны (отсечки), которое зависит от диаметра сердцевины, NA и рабочей длины волны. Ниже длины волны отсечки могут также распространяться моды более высокого порядка, что изменяет характеристики волокна.

Поскольку в одномодовом волокне распространяется только основная  мода, модальная дисперсия (основная причина перекрытия импульсов) устраняется. Таким образом, пропускная способность одномодового волокна намного выше, чем у многомодового волокна. Это означает, что импульсы могут передаваться гораздо ближе друг к другу во времени без перекрытия. Из-за этой более высокой пропускной способности одномодовые волокна используются во всех современных системах связи на большие расстояния. Типичные диаметры сердцевины составляют от 5 до 10 мкм.

Фактическое количество мод, которые могут распространяться по волокну, зависит от диаметра сердцевины, числовой апертуры и длины волны передаваемого света. Они могут быть объединены в нормированный частотный параметр ( V),

где a – радиус сердцевины, λ – длина волны, n – показатель преломления сердцевины и оболочки. Условием для одномодового режима является то, что

Возможно, более важной и полезной является длина волны отсечки. Это длина волны, ниже которой волокно позволит распространяться нескольким модам и может быть выражено как:

Обычно волокно выбирается с длиной волны отсечки, немного меньшей желаемой рабочей длины волны. Для лазеров, обычно используемых в качестве источников (с длинами волн от 850 до 1550 нм), диаметр сердцевины одномодового волокна находится в диапазоне от 3 до 10 мкм.

Многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления

Диаметры сердцевин многомодовых волокон намного больше, чем у одномодовых волокн. В результате распространяются также и моды более высокого порядка.

Показатель преломления сердцевины  волокна с плавно меняющимся показателем радиально непрерывно уменьшается от центра до поверхности оболочки. В результате свет распространяется быстрее на краю сердцевины, чем в центре. Различные моды перемещаются по изогнутым путям с почти равным временем движения. Это значительно уменьшает модальную дисперсию волокна.

В результате волокна такие волокна имеют полосы пропускания, которые значительно больше, чем у волокон со ступенчатым профилен показателя преломления, но все же намного ниже, чем у одномодовых волокн. Типичные диаметры сердцевин составляют 50, 62,5 и 100 мкм. Основным применением для волокон с плавно меняющимся показателем преломления  является связь средней дальности, например, локальные сети.

Многомодовое волокно со ступенчато-изменяющимся показателем преломления

Ядро волокна со ступенчатым профилем показателя преломления имеет единый показатель преломления вплоть до границы раздела с оболочкой, где индекс изменяется ступенчато. Поскольку разные моды в волокне со ступенчатым профилем показателя преломления проходят разные длины пути при их распространении  по волокну, расстояния передачи данных должны быть короткими, чтобы избежать значительных проблем с дисперсией.

Волокна данного типа доступны с диаметром сердцевины от 100 до 1500 мкм. Они хорошо подходят для применений, требующих высокой плотности мощности, таких как перенос мощности от медицинских и промышленных лазерных источников.

На основе материала портала EDU.Photonics