Волоконно-оптические кабели

В качестве среды передачи в сетях наряду с электрическими кабелями широко используется волоконно-оптический кабель (fiber optic). Достоинством волоконно-оптического кабеля является отсутствие необходимости скручивания волокон или их экранирования, т. к. отсутствуют проблемы перекрестных помех (crosstalk) и электромагнитных помех от внешних источников. Это позволяет передавать сигналы на большее расстояние по сравнению с симметричным медным кабелем.

Оптическое волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую структуру в виде сердцевины (оптического световода) и оболочки. Причем сердцевина и оболочка имеют разную оптическую плотность или показатель преломления n. Чем больше оптическая плотность материала, тем больше замедляется свет по сравнению со скоростью в вакууме. Значение показателя преломления сердцевины n1 выше показателя преломления n2 оболочки (n1 > n2).

Передача оптического излучения по световоду реализуется за счет свойства внутреннего отражения, которое обеспечивается неравенством показателей преломления сердцевины и оболочки n1 > n2, при этом сердцевина с большим показателем преломления является оптически более плотной средой.

Когда луч света 1 падает на границу раздела двух прозрачных материалов с коэффициентами преломления n1 и n2, причем n1 > n2, свет делится на две части.

Рис. 5. Отражение и преломление лучей света

Часть светового луча отражается назад в исходную среду (сердцевину) с углом отражения ν₃, равным углу падения ν₁. Другая часть энергии светового луча пересекает границу раздела двух сред и вступает во второе вещество (оболочку) под углом ν₂. Эта часть энергии, попавшая в оболочку, характеризует потери энергии, которая должна была распространяться по сердцевине. При увеличении угла падения ν₁ возрастает угол преломления ν₂.

При некотором значении угла ν₁, называемом критическим ν_кр, луч 2 не преломляется, часть его отражается, а часть скользит вдоль границы раздела, т. е. угол преломления равен 90°.

При условии, что угол падения будет больше критического ν₁ > ν_кр и n₁ > n₂, наступает эффект полного внутреннего отражения, когда вся энергия светового луча остается внутри сердцевины, т. е. луч света распространяется по световоду без потерь на большое расстояние.

Диапазон углов падения лучей света, входящих в волокно, при котором реализуется первое условие полного внутреннего отражения, называется числовой апертурой волокна. Лучи света должны входить в сердцевину только под углом, находящимся внутри числовой апертуры волокна. Поскольку лучи входят под разными углами, они отражаются от границы раздела сердцевины и оболочки под разными углами и проходят разное расстояние до устройства назначения (рис. 6 а, б).

Эти составляющие лучей света называются модами. Возникновение мод в оптическом волокне возможно, если диаметр сердцевины сравнительно большой. Такое волокно называется многомодовым (multimode).

Рис. 6. Многомодовое (а) и одномодовое (б) волокно