Световоды, их типы и характеристики

Световоды служат для передачи оптического излучения от источника к приемнику с минимальными потерями и искажениями. В световодных системах передачи информации оптическое излучение передается по волоконным или планарным (плоским) световодам. Планарные световоды применяют в основном в интегральной оптике. Они служат для соединения отдельных оптических элементов, выполненных, как правило, в одном корпусе. В простейшем случае планарный световод может быть получен путем напыления пленки титана или свинца на материал с последующей высокотемпературной диффузией.

Волоконные световоды (оптические волокна) изготавливают из тонких прозрачных нитей с покрытием. Они предназначены для передачи информации на относительно большие расстояния (от сантиметров до сотен километров) и используются на более дальних расстояниях. Свет распространяется в волоконных световодах благодаря полному внутреннему отражению от стенок сердцевины, покрытой оболочкой с меньшим показателем преломления, чем у материала сердцевины. Доказано, что по одному световоду можно передать одновременно ограниченное число электромагнитных волн, каждая из которых соответствует лучам, распространяющимся по траекториям, образующим различные углы с осью световода. Такие волны (пучки световых лучей), а также траектории и направления их распространения, называют модами. Физически наличие ограниченного дискретного числа мод можно объяснить тем, что через световод проходят только те волны, которые, отражаясь, совпадают по фазе (модовая дисперсия). Остальные же сигналы, вследствие интерференции затухают и к приемнику не проходят. Это приводит к снижению пропускной способности световода, поскольку необходимо задержать посылку второго входного импульса на время окончания полного формирования первого входного импульса. Различают одномодовые и многомодовые световоды, световоды со ступенчатым профилем показателя преломления и световоды, у которых показатель преломления сердцевины уменьшается от центра к периферии (градиентные). Число мод для градиентного световода меньше числа мод ступенчатого световода. Однако градиентные световоды создают значительно меньшие искажения передаваемого сигнала по сравнению со ступенчатыми многомодовыми световодами. Это объясняется тем, что время прохождения различных мод в градиентном световоде оказывается приблизительно одинаковым. В градиентном световоде скорость увеличивается по мере уменьшения показателя преломления. Кроме модовой дисперсии, имеют место материальная и волноводная дисперсии, также ограничивающие пропускную способность световода. Материальная дисперсия состоит в том, что показатель преломления сердцевины световода зависит от длины волны. Волноводная дисперсия возникает в одномодовых световодах потому, что единственная способная к распространению мода имеет скорость распространения, зависящую от длины волны. Распространение света в световодах сопровождается потерями. Потери обусловлены поглощением и рассеянием света на ионах примесей; релеевским рассеянием света на микроскопических неоднородностях; изменением спектральных характеристик излучения из-за изгибов, дефектов и неоднородностей. Перечисленные потери в значительной мере зависят от используемых материалов световода, а также технологии его изготовления. К материалам для волоконных световодов предъявляются следующие основные требования: высокая прозрачность для излучения в требуемом диапазоне длин волн (достигается очень малой концентрацией ионов примесей, например, не должно быть больше одного иона ОН на 10⁷ ионов основных компонентов); высокая стойкость против изменений структуры и свойств с течением времени; высокая сопротивляемость влиянию внешних дестабилизирующих воздействий температуры, радиоактивности, влажности и т. п. В соответствии с этими требованиями волоконные световоды изготавливают, главным образом, из кварцевого стекла, многокомпонентных силикатных стекол соответствующего состава и из некоторых полимеров. Перспективными материалами для волоконных световодов, предназначенных для использования в световодных системах связи и передачи информации, являются галоидные, халькогенидные и оксидные стекла, а также кристаллические соединения типа хлоридов, бромидов и йодидов. Многокомпонентные стекла плавятся при более низкой температуре, допускают большие вариации состава и менее сложны для обработки, чем высокотемпературные кварцевые стекла. Для всех световодов из кварца и многокомпонентных стекол характерно увеличение поглощения излучения в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах длин волн, существенно также рассеяние Релея. Дополнительные потери обусловлены наличием ионов примесей металлов переходной группы (Ре, Си, Сг, №, Мп, V) и гидроксила ОН с резонансными длинами волн более 0,47 мкм. Например, максимумы поглощения на длинах волн 0,95; 1,25 и 1,39 мкм связаны с примесью ОН. С целью уменьшения потерь передачу информации целесообразно вести на длинах волн из диапазона от 0,6 до 1,6 мкм, которые находятся в пределах окон между резонансными пиками поглощения. Сердцевина и оболочка световода представляют собой пару материалов с разным показателем преломления: кварцевые стекла - (кварц-кварц), многокомпонентные стекла - (стекло-стекло) или стекло-полимер (кварц-полимер). Световоды из полимеров имеют значительно большие потери, чем из стекла, в них быстрее происходит старение материала. В полимерных световодах резко возрастает затухание при длинах волн 0,85...0,9 мкм за счет ионов ОН, СНз, СnНm. Полимерные световоды характеризуются высокой стойкостью против действия ионизирующих излучений, высокой пластичностью, прочностью, технологичностью. Диаметр сердцевины световода можно увеличить до 1мм и выше, не опасаясь за их разрушение при изгибах. При растяжении световод удлиняется без обрыва. Полимерные световоды целесообразно применять в тяжелых условиях эксплуатации, где не требуется высокая скорость передачи информации. Защитное покрытие, которое наносят в процессе изготовления световодов, повышает их гибкость, прочность, однако не обеспечивает достаточной защиты от механических воздействий и влияния окружающей среды в процессе монтажа и эксплуатации. Поэтому, как правило, отдельные световоды объединяются в оптические кабели с прочным защитным покрытием. В зависимости от назначения эти кабели можно условно разделить на монтажные, объектовые, подводные, городские и междугородние. Монтажные оптические кабели предназначены для внутри- и межблочного монтажа аппаратуры, поэтому для них достаточно защитного изоляционного покрытия: тугого или свободного при внешнем диаметре в несколько десятых миллиметра. Защитное покрытие делается по большей части на полиамидной, нейлоновой или полипропиленовой основе. Объектовые кабели служат для передачи информации внутри объекта: помещении учреждения или организации, самолета, корабля и др. Подводные кабели предназначаются для организации связи через большие водные преграды. Они должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для подводной связи также важно иметь малое затухание и большие длины регенерационных участков. Кабели городской сети прокладывают между АТС и узлами связи. Они рассчитаны на расстояния, не превышающие 10 км, включают большое число каналов, как правило, не содержат регенераторов. Междугородные кабели предназначены для передачи информации на значительные расстояния и имеют большое число каналов. Они должны обладать малым затуханием, дисперсией и большой информационно-пропускной способностью. Наличие регенераторов требует дополнительного введения проводников электрического тока. При прокладке оптических кабелей на большие расстояния необходимо обеспечить их механическую прочность на разрыв. При этом конструкция кабеля должна уменьшать возможность появления микроизгибов, приводящих к потерям оптического сигнала. В настоящее время промышленные кабели имеют на волне 0,85 мкм затухание 3- 5 дБ/км, на волне 1,3 мкм~ 2 дБ/км, а на волне 1,55 мкм—до 0,5 дБ/км. (Децибел – допускаемая к применению внесистемная логарифмическая единица ослабления или усиления). В зависимости от типа световода полоса пропускания оптического кабеля: до 30 МГц — для многомодового световода; 100... 150 МГц — для градиентного и 500 МГц — для одномодового.