Пристрій світловода показано на малюнку. Внутрішня частина світловода називається серцевиною (core, іноді перекладають як «ядро»), зовнішня - оптичної оболонкою волокна, або просто оболонкою (cladding). Залежно від траєкторій поширення світла розрізняють одномодове і багатомодове волокно. Багатомодове волокно (multi mode fiber, MMF) має досить великий діаметр серцевини - 50 або 62,5 мкм при діаметрі оболонки 125 мкм або 100 мкм при оболонці 140 мкм. Одномодове волокно (single mode fiber, SMF) має діаметр серцевини 8 або 9,5 мкм при тому ж діаметрі оболонки. Зовні оболонка має захисне покриття (coating) товщиною 60 мкм, зване також захисною оболонкою. Световод (серцевина в оболонці) із захисним покриттям називається оптичним волокном. Оптоволокно в першу чергу характеризується діаметрами серцевини і оболонки, ці розміри в мікрометрів записуються. через дріб: 50/125, 62,5 / 125, 100/140, 8/125, 9,5 / 125 мкм. Зовнішній діаметр волокна (з покриттям) теж стандартизований, в телекомунікаціях в основному використовуються волокна з діаметром 250 мкм. Застосовуються такі і волокна з буферним покриттям, або просто буфером (butler), діаметром 900 мкм, нанесеним на первинне 250-мкм покриття.
Розглянемо поширення світла в волокні. Для того щоб промінь розповсюджувався уздовж світловода, він повинен входити в нього під кутом не більше деякого критичного щодо осі волокна, тобто потрапляти в уявний вхідний: конус. Синус цього критичного кута називається числовий апертурою світловода NA і визначається через абсолютні показники заломлення шарів за формулою
У багатомодового волокна показники заломлення серцевини nc і оболонки nоб - розрізняються за все на 1-1,5% (наприклад, nc: nоб = 1,515. 1,50). При цьому апертура NA = 0,2-0,3, і кут, під яким промінь може увійти в світловод, не перевищує 12-18 ° від осі. У одномодовом волокні показники заломлення розрізняються ще менше (nc. Nоб = 1,505. 1,50), апертура NA = 0,122 і кут не перевищує 7 ° від осі. Чим більше апертура, тим легше ввести промінь в волокно, по при цьому збільшується модів дисперсія і звужується смуга пропускання (див. Нижче). Числова апертура характеризує всі компоненти оптичного капала - світловоди, джерела і приймачі випромінювання. Для мінімізації втрат енергії апертури з'єднуються повинні бути узгодженими один з одним.
Строго кажучи, поширення сигналу в оптоволокне описується рівняннями Максвелла. Можливі рішення рівнянні Максвелла відповідають різним світловим модам. У більшості випадків можна користуватися наближенням геометричної оптики. Якщо розглядати поширення сигналу з позицій геометричної оптики, то світлові промені, що входять під різними кутами, будуть поширюватися по різних траєкторіях. Більш високим модам відповідають промені, що входять під великим кутом, - вони матимуть більшу кількість внутрішніх відображень по шляху в световоде і будуть проходити більш довгий шлях. Число мод для конкретного світловода залежить від його конструкції - показників заломлення і діаметрів серцевини і оболонки - і довжини хвилі.
Світловий імпульс, проходячи по волокну, через явища дисперсії змінить свою форму - «розмаже». Дисперсія буває трьох видів: модовая, молекулярна і хвильове.
Модовая дисперсія (modal dispersion) в багатомодового волокна виникає через різницю довжин шляхів, прохідних променями різних мод. Ця дисперсія визначається як різниця часу проходження одиниці довжини волокна різними модами, для неї типові значення 15-30 нс / км для волокна із ступінчастим профілем. Її можна зменшувати, скорочуючи кількість мод - зменшуючи діаметр серцевини (в межі до одномодового). Крім того, цю дисперсію зменшує застосування градієнтного профілю показника заломлення. Як видно на малюнку, застосування серцевини з градієнтним зміною показника заломлення в багатомодового волокна дозволяє зменшити кількість мод, а отже, і зменшити викривлення вихідного імпульсу. Крім того, промені, що йдуть по довгих траєкторіях, значну частину шляху проходять по середовищі з меншою щільністю - їх швидкість більше, і приходять вони майже одночасно з променями більш коротких траєкторій.
Спектральна дисперсія, яка називається також молекулярної або матеріальної, викликана тим, що хвилі з різною довжиною поширюються в одній і тій же середовищі з різною швидкістю, що обумовлено особливостями молекулярної структури. Оскільки джерело випромінює не одну хвилю, а спектр (нехай і вузький), промені різної довжини хвилі будуть досягати приймача не одночасно. В області близько 850 нм коротші хвилі по световоду рухаються повільніше, ніж довші. В області 1550 нм ситуація зворотна. В області близько 1300 нм дисперсія нульова. Молекулярна дисперсія визначається як різниця часу проходження але волокну випромінювання різних довжин хвиль, віднесена до різниці довжин цих хвиль і довжині волокна (одиниця виміру - пс / нм / км). Молекулярна дисперсія істотна для одномодового волокна (в многомодовом її вплив малопомітно). Знизити її вплив можна зменшенням ширини смуги випромінювання джерела і вибором оптимальної довжини хвилі.
Волноводная дисперсія, актуальна для одномодового волокна, обумовлена різницею швидкостей поширення хвиль по серцевині і оболонці.
У одномодовом волокні, крім ступеневої профілю показників заломлення, застосовують і складніші: W-подібний двоступінчастий з депрессіровать подвійною оболонкою і трикутний, - найбільш ефективно пригнічують паразитні моди. Цим досягається зниження впливу дисперсії на форму сигналу, що передається, за що таке волокно називають True wave - справжня хвиля.
Режим передачі - одномодовий або багатомодовий - визначається способом введення світла в волокно (інжекції), конструкцією волокна і довжиною хвилі джерела. Введення світла для одномодового режиму повинен здійснюватися вузьким променем точно уздовж осі волокна, тут в якості джерела можна використовувати тільки лазер. Для багатомодовою передачі може використовуватися і більш дешевий світлодіодний випромінювач, що має більш широку діаграму спрямованості. Передача в одномодовом режимі можлива лише при довжині хвилі, що перевищує деяке порогове значення (cut-off wavelength). Ця порогова довжина хвилі визначається конструкцією волокна (діаметром серцевини). Волокно для одномодової передачі на довжині хвилі 1300 нм має порогову довжину хвилі близько 1200 мкм. Отже, в такому волокні на довжині хвилі 850 нм одномодова передача неможлива. При одномодової передачі промінь передається і по внутрішній частині оболонки, тому її прозорість, як і прозорість серцевини, впливає на загасання сигналу. Тут світловий промінь характеризується діаметром модового плями - області перетину волокна, через яку він поширюється (більше, ніж серцевина). У багатомодового волокна через оболонку світло не йде, так що її прозорість несуттєва.
При роботі лазерного джерела на багатомодове волокно при деяких умовах на неоднорідностях середовища промінь може розщепнутися на кілька мод, що поширюються по сильно розрізняються траєкторіях. Цей ефект диференціальної модовой затримки, DMD (Differential Mode Delay), призводить до тремтіння (jitter) сигналу на приймальному кінці, ступінь якої залежить від довжини волокна. Ефект DMD за дією нагадує модів дисперсія. Вплив DMD для волокна з градієнтним профілем показника заломлення можна послабити, якщо промінь вводити не точно по центру серцевини, а зі зміщенням від осі на 10-15 мкм. Зсув здійснюється або в передавачі, або в спеціальному перехідному шнурі МСР (media conditioning patch-cord).
Для мпогомодового волокна існує поняття рівноважного розподілу мод - РРМ, йому відповідає англійський термін EMD (equilibrium mode distribution). Ефективність перенесення енергії в різних модах різна - втрати в високих модах більше втрат в низьких. У реальних волокнах через вигинів і неоднорідностей в міру руху світло може переходити з однієї моди в іншу. У переповненому волокні в перенесенні енергії беруть участь і неефективні моди. У ненаполіеіном волокні використовуються тільки моди низьких порядків. Спочатку модовая розподіл визначається джерелом світла: світлодіод зазвичай переповнює волокно, лазер немає наповнює волокно. У міру віддалення від джерела, що переповнює волокно, настає стан рівноважного розподілу мод (РРМ), і далі переходів не відбувається. Цікаво те, що до настання рівноваги погонное загасання пропорційно довжині волокна, а після настання - пропорційно квадратному кореню з довжини. Для скляного волокна РРМ настає на відстані, що вимірюється кілометрами, для пластикового - метрами. Ступінь наповнення волокна впливає на результати вимірювання його характеристик, а також на результати вимірювань втрат, що вносяться стиком.
Вимірювання внесених втрат для з'єднання в умовах РРМ дасть більше значення, але воно відображає реальний загасання, що вноситься стиком в довгу лінію. Досягнення РРМ на малій довжині можна домогтися, обернувши волокно 5 разів навколо стрижня, діаметр якого дорівнює дворазовому мінімально допустимому (для даного волокна) радіусу вигину.
Потужність оптичного сигналу вимірюється в логарифмічних одиницях дБм (децибел до мілівата): рівню 0 дБм відповідає сигнал з потужністю 1 мВт. Іноді користуються одиницею дБмк: рівню 0 дБмк відповідає сигнал з потужністю 1 мкВт.
Втрати (loss) сигналу в будь-якому елементі визначаються через відношення вихідної Рout потужності до вхідних Pin як
Знак «мінус» перед логарифмом дозволяє висловлювати загасання позитивними величинами. Тоді більше загасання буде відповідати і великих втрат сигналу, що зручно при розрахунках.
У міру поширення променя відбувається його затухання, викликане розсіюванням і поглинанням. Поглинання - перетворення в теплову енергію - відбувається під вкрапленнях домішок; чим чистіше скло, тим ці втрати менше. Розсіювання - вихід променів із світловода - відбувається в вигинах волокон, коли промені більш високих мод залишають волокно розсіювання відбувається і в микроизгибах, і на інших дефектах поверхні кордону середовищ.
Для волокна вказують погонное загасання (дБ / км), і для отримання значення загасання в конкретної лінії погонное загасання множать на її довжину. Загасання має тенденцію до зниження зі збільшенням довжини хвилі, але при цьому залежність немонотонна, що видно на графіку нижче На ньому видно вікна прозорості багатомодового волокна в областях з довжинами хвиль 850 мкм і 1300 мкм. Для одномодового волокна вікна знаходяться в діапазонах близько 1300 і 1500-1600 мкм. Природно, що з метою підвищення ефективності зв'язку апаратура налаштовується на довжину хвилі, що знаходиться в одному з вікон. Одномодове волокно використовується для хвиль 1550 і 1300 нм, при цьому типове погонное загасання складає 0,25 і 0,35 дБ / км відповідно. Багатомодове волокно використовується для хвиль 1300 і 850 їм, де погонное загасання - 0,75 і 2,7 дБ / км.
У оптичної передачі найскладніші завдання пов'язані з кінцями і стиками волокон. Це генерація світлових імпульсів і введення їх в волокно, прийом і детектування сигналів, і «просто» з'єднання відрізків волокон між собою. Луч, що падає на торець волокна, входить в нього не весь: він частково відбивається назад, частина проходить енергії розсіюється на дефектах (шорсткості) поверхні торця, частина «промахується» мимо конуса, що приймає світло. Те ж саме відбувається і на виході променя з волокна. В результаті кожен стик вносить втрати проходить сигналу (типове значення 0,1-1 дБ), а рівень відбитого сигналу може перебувати в межах 15-60 дБ. Для зниження втрат і відображень застосовують різні конструктивні хитрощі. Розглянемо основні джерела неприємностей на стиках.
При проходженні променя через кордон двох середовищ, що розрізняються за показниками заломлення, відбувається його часткове зворотне відображення. Це відображення, зване Френелевскую, тим більше, чим більше розрізняються показники заломлення (неважливо, в який бік). Для пари скло-повітря втрати на Френелевскую відображенні при нормальному падінні становлять 0,17 дБ. Таким чином, на стику двох волокон з найменшим повітряним зазором втрати тільки на цьому відображенні складуть 0,34 дБ (скло-повітря-скло). У мпогомодопом режимі, коли світло падає на кордоні розділу не перпендикулярно, втрати будуть більші. Для усунення цього відображення в зазор між волокнами вводять краплю гелю, що збігається зі склом за показником заломлення. У роз'ємних з'єднаннях зворотне відображення знижують іншими способами.
Втрати в з'єднаннях складаються з власне загасання Lossc і можливих втрат від неузгодженості діаметрів і апертур, що з'єднуються. Втрати від невідповідності діаметрів виникають, коли діаметр приймаючої елемента (D2) менше діаметра передавального елемента (D1). тоді
Втрати, розраховані за цією формулою, матимуть позитивне значення. При D2> = D1 ці втрати відсутні. Для багатомодових волокон в цій формулі беруть участь діаметри серцевини, для одномодових - діаметри модового плями.
Втрати від невідповідності числових апертур виникають, коли апертура приймає елемента (NA2) менше діаметра передавального елемента (NA1). тоді
При NA2> = NA1 ці втрати відсутні.
Оскільки реальні волокна не мають ідеально круглої концентрической форми перетину, при стикуванні волокон втрати виникають від некруглої і ексцентриситету стикуються волокон. Крім того, втрати викликаються і кутовим відхиленням осей волокон. Всі ці дефекти, природно, можуть тільки збільшувати перехідні втрати. На малюнку нижче, ілюструє ці втрати, заштриховані ефективні області (і конус) передачі світлової енергії - втрати тим більше, чим менше ці області. Якщо між сколами стикуються волокон виявляється повітряний зазор, то вноситься додаткове загасання, майже лінійно зростає з збільшенням зазору. Це явище використовується в аттенюатором. Чим більше апертура волокон, тим сильніше зростає це затухання зі збільшенням зазору. Додаткові втрати виникають і від непараллельности площин відколів, а також від шорсткості відколів.
Як не дивно, волокно може вносити не тільки згасання, а й посилення сигналу. На основі відрізка оптоволокна, легованого ербієм, можливе створення чисто оптичного підсилювача сигналу. Підсилювач EDFA (erbium-doped fiber amplifier) збільшує потужність проходить оптичного сигналу з довжиною хвилі 1550 нм па 30-40 дБ за рахунок оптичної енергії, що надходить від лазера накачування з довжиною хвилі 980 нм. Такий підсилювач простіше в реалізації, ніж електронний підсилювач з приймачем і передавачем. Крім того, оскільки він підсилює чисто оптичний сигнал, не виникає проблем з швидкодією. Ербіевие підсилювачі застосовують в довгих магістралях.