Подавляющее большинство кабелей для медиацентров, компьютеров, аудио- и видеооборудования используют для коммуникации компонентов электрические сигналы. В этом случае как аналоговые, так и цифровые потоки переносятся от устройства к устройству в виде импульсов тока по проводникам. Исключение в классе соединителей аппаратуры - звуковой оптический кабель для телевизора.

История и суть технологии

Оптическая передача сигналов была темой для фантастов всего лишь несколько десятилетий назад. Возможность использовать на практике невероятную скорость и плотность данных, на которые способен свет, была заветной целью для пионеров связи. Ещё в 1840-х годах физики Даниэль Колладон и Жак Бабине продемонстрировали способность света к отражениям в струе воды, а в 1854 г. другой физик Джон Тиндаль доказал, что световой поток может быть изогнут вместе с носителем на примере падающей в резервуар воды из освещённой трубы.

В 1880 году Александр Белл запатентовал оптическую телефонную систему, назвав её фотофоном, однако ранее созданный им телефон оказался более практичным. Упорства изобретателя и его вдохновения идеей посылать сигналы через воздух оказалось недостаточно для популяризации устройства - атмосфера не пропускала свет так же надёжно, как провода - электричество.

В последующие десятилетия оптические сигналы использовались в некоторых частных случаях связи, например, при передаче сообщений между судами. Сам фотофон оказался невостребованным изобретением до открытий лазеров и прорыва в волоконно-оптических технологиях. Экспериментальная модель была пожертвована Беллом Смитсоновскому институту и пролежала там на полке до наших дней.

Бурное развитие оптоволоконных технологий пришлось на вторую половину XX века. В первых системах коммуникаций в качестве источника использовался лазер. Но уже в 1980-х годах исследователи разработали волоконно-оптический кабель на основе стекловолокна, способный передавать обычный световой сигнал на большие расстояния. С этого времени технология нашла практическое применение в телекоммуникационных системах. Большинство современных стандартов светопередачи по волокну предполагают следующие основные этапы транспортировки информации:

• создание оптического сигнала из электрического;
• ретрансляция сигнала по волокну с сохранением его силы и без искажений;
• приём оптического сигнала;
• преобразование его в электрический.

Наиболее часто используемые передатчики - полупроводниковые устройства (светодиоды), оптимально работающие в необходимом частотном диапазоне модуляции. Приёмником служит фотодетектор в комбинации с усилителем для восстановления ослабленного или искажённого сигнала. Сам волоконно-оптический провод состоит из следующих компонентов:

• Сердцевина. Изготовлена из материала с крайне низким коэффициентом преломления.
• Оболочка. Зеркальное покрытие, обеспечивающее полное внутреннее отражение.

Одна из особенностей световых проводов - сложность соединения в месте разреза. Подобные процедуры требуют специального оборудования и микронной точности. Поэтому для бытового применения используются только готовые кабели кратной длины.

Стандарт TOSHIBA

Стандарт интерфейса Toshiba-link, или TOSLINK, был введён в 1983 году известным японским концерном и первоначально предназначался для использования в комплекте с фирменными проигрывателями компакт-дисков. Оптические сигналы, передаваемые по этому порту, имели такую же форму, как и электрические, лишь с той разницей, что в TOSLINK использовались для передачи импульсы красного света. Лазер не применялся в качестве источника, вместо него работал простой и недорогой LED. Заявленное надёжное расстояние передачи ограничивалось десятью метрами, но на практике не превышало пяти.

Момент появления Toshiba-link совпал с началом эпохи домашних кинотеатров, что и обусловило его присутствие на аудио- и видеокомпонентах бытовых систем в качестве интерфейса для передачи цифровых данных с помощью света. Поскольку в TOSLINK для транспортировки информационного потока использовался только оптоволоконный кабель, такая коммутация в сравнении с электрической обладала некоторыми несомненными преимуществами:

• нечувствительностью к электромагнитным помехам;
• отсутствием собственного электромагнитного излучения;
• возможностью обеспечить полную гальваническую развязку между оборудованием.

Все эти качества имеют большое значение для звуковоспроизводящей аппаратуры, конструкторы которой немало сил тратят на борьбу с помехами и наводками при коммутации блоков между собой. Для многих меломанов появление такого интерфейса открыло новые возможности в построении собственных систем.

Со временем присутствие этого типа оптического соединения стало почти стандартом для телевизоров, ресиверов, DVD-проигрывателей, усилителей, компьютерных звуковых карт и даже игровых консолей. Основное назначение TOSLINK в бытовой аппаратуре - обеспечить возможность без потерь обрабатывать объёмный стерео- и многоканальный звук в таких форматах, как DTS или Dolby Digital.

Сравнение с HDMI

Есть немало способов подключения звука телевизора через домашний кинотеатр, обеспечивающих полноценный результат. Наиболее популярный метод - коммутация через HDMI. Таким способом можно передавать как аудио-, так и видеосигнал. Этот интерфейс вытеснил на вторые роли оптоволокно прежде всего потому, что TOSLINK способен нести только аудиоданные и требует отдельной коммутации с помощью компонентных или композитных кабелей для передачи видеосигнала. Это не единственный недостаток оптического соединения.

Кроме преимуществ в универсальности, HDMI обладает сравнительно более высокой пропускной способностью. Для TOSLINK новые формы объёмного звука, например, Dolby Thrue HD и DTS-HD, находятся за пределами передачи без искажений.

Несмотря на то что стандарту более тридцати лет, он до сих пор является актуальным интерфейсом. Оптический кабель по-прежнему привлекателен для коммутации до 7.1 каналов аудио высокого разрешения. Для большинства потребительских инсталляций разница при использовании HDMI или TOSLINK не будет заметной.

Одна из наиболее распространённых причин применения светового соединения - наличие большого парка старых ресиверов высокого качества с оптическим входом на борту. Для любителей хорошего звука их замена на новые не имеет смысла. Кроме того, подавляющее большинство наборов HDTV, Blu-Ray плееров и игровых консолей до сих пор оснащаются оптическим портом.

Одна из причин помех в телевизионном и радиооборудовании - некачественно работающее заземление или его отсутствие. Это может вызвать гул в акустических системах или даже привести к повреждению оборудования. В таких случаях полностью устранить раздражающие искажения можно, изолировав устройства друг от друга с помощью оптического кабеля вместо привычного HDMI.

Современные технологии позволили TOSLINK достичь предела своей производительности. Он эволюционировал благодаря чистоте оптического проводника, прозрачности линз и гибкости без потери сигнала.

Оптимизация этих трёх параметров привела к отсутствию слышимой разницы в сравнении с коаксиальным соединением, поэтому, несмотря на универсальность HDMI, скромный оптический кабель для телевизора и домашнего кинотеатра не потерял своего значения.

Критерии выбора при покупке

Прежде всего необходимо убедиться, что планируемые к соединению устройства оснащены разъёмами, предназначенными для передачи оптических сигналов. Это легко узнаваемый трапециевидный порт с заглушкой, который, как правило, сопровождается надписью OPTICAL AUDIO, TOSLINK или Digital Audio Out (Optical). Если устройство включено, он сразу привлекает к себе внимание слабым красным свечением вокруг заглушки порта.

Для оптоволокна нет такого заметного различия в результатах в зависимости от бренда или конструкции, как для аналоговых соединительных кабелей. В этом смысле они сходны с другими цифровыми интерфейсами. В любом случае при выборе оптического кабеля нужно обратить внимание на следующее:

Кроме того, качественный кабель должен быть сделан из множества волокон маленького диаметра. Изделия из монопровода толщиной свыше 200 мкм больше подвержены ослаблениям отражённого сигнала, чем мультиволоконные сборки.

Очень важно обратить при покупке на состояние кабеля и признаки того, что он подвергался изгибу или чрезмерному скручиванию во время хранения или транспортировки. Подобные повреждения однозначно приводят к искажениям передаваемого сигнала или полной потере работоспособности.

Подключение к кинотеатру

Прежде всего нужно помнить о том, что оптические аудиокабели - это не обычные металлические проводники, прощающие неделикатное обращение с собой. Оптоволоконные соединители ни в коем случае нельзя сгибать, прилагая усилия, и всегда следует иметь в виду их чувствительность к ударам. Само подключение TOSLINK к телевизору - простая процедура, не требующая каких-либо инструментов или технических знаний. Рекомендуемая последовательность действий:

Следует иметь в виду, что, если используемые в кинотеатре акустические системы или усилитель недостаточно качественные, даже самый дорогой оптический кабель не способен улучшить звук. В подобных случаях не стоит тратиться на оптоволоконное соединение, а лучше поэкспериментировать с другими способами коммутации.

Хорошие кабели могут проявить себя только в наборе с аппаратурой соответствующего класса. Современный TOSLINK способен справиться с очень сложными задачами. Производственные процессы и возможности обработки материалов в XXI веке вышли на уровень, недостижимый для того времени, когда способность передавать аудиоданные световым потоком в бытовой технике вызывала восхищение. Кварц высокого качества, мультиволоконные проводники, низкая апертура геометрии сердцевины, большая гибкость в сочетании с малыми потерями - эти достижения позволяют обеспечить безупречную передачу даже самых сложных многоканальных звуковых дорожек.

Пока вы читаете эти строки, терабайты данных курсируют по всему миру, запертые в стеклянных нитях, протянутых по дну океана. Напоминает магию, но это всего лишь продвинутая технология. Оптическое волокно - технология, которой, человечество обязано естествоиспытателям XIX века. Наблюдая за лучами света на поверхности пруда, они предположили, что светом можно управлять, но претворить в жизнь ту гениальную идею удалось только совсем недавно с появлением сложнейших заводов и тщательным изучением оптических свойств материалов.

Запертый свет

По медной витой паре (как в вашем интернет-кабеле) во множестве движутся электроны. Ток предается по проводнику и несет с собой закодированную в последовательности импульсов - информацию. Нули и единицы - двоичный код, о котором слышали, пожалуй, все. Оптический проводник сигнала работает по тому же принципу, но с точки зрения физики, с ним все гораздо сложнее. Тут могла бы быть получасовая лекция о квантовой механике, и о том, как множество именитых физиков пришли в тупик, пытаясь понять природу света, но постараемся обойтись без пространных рассуждений.

Достаточно держать в уме то, что подобно электронам, фотоны или световые волны (на самом деле в нашем контексте это одно и то же), могут переносить закодированную информацию. Так, например, на аэродромах, в случаях отказа радиосвязи, передают сигналы самолетам при помощи направленных прожекторов. Но то примитивный метод, да и работает он лишь на расстоянии прямой видимости. В то же время, по оптоволокну свет передается на километры и далеко не по прямой траектории.

Чтобы добиться такого эффекта, можно было бы использовать зеркала. Собственно, с этого инженеры-испытатели и начали свои эксперименты. Они покрывали металлические трубы изнутри зеркальным слоем и направляли внутрь луч света. Но мало того, что подобные световоды стоили непомерно дорого. Свет многократно отражался от их стенок и постепенно затухал, терял силу и совершенно сходил на нет.

Зеркала не годились. Иначе и быть не могло. Даже самое дорогое зеркало не идеально. Его коэффициент отражения меньше 100% и после каждого падения на зеркальную поверхность световой луч теряет часть энергии, а в замкнутом объеме световода таких преломлений происходит неисчислимое множество.

Тут-то и пришло время вспомнить о пруде и тех давних исследованиях, что основывались на наблюдении за поведением света в воде. Представьте, как луч закатного солнца падает на поверхность воды, преодолевает границу и направляется вниз, к дну пруда.

Те из читателей, кто помнит школьный курс физики, наверняка уже догадываются, что свет изменит направление своего движения. Часть света пройдет под воду, чуть изменив угол своего движения, а другая незначительная часть света отразится обратно в небо, потому, как «угол падения равен углу отражения». Если долгое время наблюдать за этим явлением, однажды, можно заметить, что свет, отраженный от зеркала под водой, под определенным углом так и не сумеет вырваться наружу - отразится от границы воды и воздуха полностью, лучше, чем от всякого зеркала. Дело не в воде как таковой, а в сочетании двух сред с различными оптическими свойствами - неодинаковыми коэффициентами преломления. Для создания световой ловушки достаточно минимального их различия.

Гибкие световоды

Материалы не столь уж важны. В физических опытах для детей, демонстрирующих этот эффект, часто используют воду и прозрачную пластмассовую трубку. Больше чем на пару метров в таком световоде световой луч не передать, но смотрится это красиво. По той же причине светильники и прочие декоративные изделия часто имеют в своей конструкции световоды из пластмасс. Но когда речь заходит о передаче информации на многие километры, требуются особые, сверхчистые материалы, с минимумом примесей и оптическими свойствами, близкими к идеальным.

В 1934 году американец Норман Р. Френч запатентовал стеклянный световод, который должен был обеспечить телефонную связь, но он толком не работал. Потребовалась масса времени, чтобы найти материал, который бы отвечал высочайшим требованиям к чистоте и прозрачности, изобрести оптическое волокно из диоксида кремния - чистейшего кварцевого стекла. Чтобы создать в прозрачном кремнии разность коэффициентов преломления, прибегают к хитрости. Центр прозрачной болванки, которая превратится в провод, оставляют чистым, в то время, как внешние слои насыщают германием - он изменяет оптические характеристики стекла.

В таком случае, болванку обычно спекают из двух заранее приготовленных стеклянных трубок, вставленных одна в другую. Но можно поступить и наоборот, насытив сердцевину стекловолокна германием. Более технологичным и высококачественным стекловолокно получается, когда стеклянные трубки наполняют изнутри газом и ждут, пока германий сам осядет на стекло тончайшим слоем. Затем трубку разогревают и растягивают до метровой длины. При этом полость внутри закрывается сама.

Получившийся стержень имеет сердцевину с одним коэффициентом преломления и оболочку с другими оптическими параметрами. Он то и послужит для изготовления оптического волокна. Пока тяжелая заготовка толщиной в руку ничем не напоминает провод, но кварцевое стекло хорошо растягивается.

Подготовленную болванку поднимают на высоту десятиметровой башни, закрепляют на вершине и равномерно нагревают до пор, пока по консистенции она не будет напоминать нугу. Тогда из стеклянной болванки под собственным весом начинает тянуться тончайшая нить. По пути вниз она остывает и приобретает гибкость. Это может показаться странным, но сверхтонкое стекло прекрасно гнется.

Готовое оптическое волокно, непрерывно поступающее вниз, окунают в ванну с жидким пластиком, образующим защитный слой на поверхности кварца, а затем сматывают. Так продолжается до тех пор, пока заготовка на вершине башни не будет полностью переработана в единую нить из сотни-другой километров оптического волокна.

Из него, в свою очередь, будут сплетены кабели, содержащие от пары, до пары сотен отдельных стеклянных волокон, упрочняющие вставки, экранирующие слои и защитные оболочки.

1. Осевой стержень.
2. Оптическое волокно.
3. Пластиковая защита оптических волокон.
4. Пленка с гидрофобным гелем.
5. Полиэтиленовая оболочка.
6. Армирование.
7. Внешняя полиэтиленовая оболочка.

Связь со скоростью света

Описанный процесс сложен, трудозатратен, требует постройки заводов и специального обучения от их персонала, и, тем не менее, игра стоит свеч. Ведь скорость света - это непреодолимый предел, максимальная скорость, с которой информация может распространяться в принципе. Соперничать с оптическим волокном в скорости передачи информации могут, разве что, линии прямой оптической связи, но никак не медные проводники, на какие бы ухищрения не шли их создатели. Сравнения демонстрируют превосходство оптического волокна над остальными средствами передачи информации лучше всего.

Домашний интернет на постсоветском пространстве, зачастую, проводят по двужильной витой паре с проводниками толщиной в один - два миллиметра. Максимумом для нее, оказывается показатель в 100 мегабит в секунду. Этого достаточно для пары компьютеров, но, когда в квартире оказываются умный телевизор, NAS, раздающий торренты, домашний сервер, несколько смартфонов и умных девайсов из мира интернета вещей, не хватит и восьмижильного провода. Ограничения канала связи становятся очевидны. Как правило, в виде артефактов и заикающихся киногероев на экране телевизора, или лагов в онлайн-играх. Оптоволокно толщиной 9 микрон обладает в 30 раз большей пропускной способностью, не говоря уже о том, что таких жил в проводе может быть несколько.

При этом оно компактнее и весит значительно меньше обычных проводов, что оказывается решающим преимуществом, при прокладке магистральных линий связи и планировании городских коммуникаций.

Оптические кабели соединяют континенты, города и датацентры. В России первая такая линия, появилась в Москве. Первый подводный оптический кабель пролег между Санкт-Петербургом и датским Аберслундом. Затем оптоволокно протянулось между предприятиями, государственными учреждениями и банками. В крупных городах получила распространение схема, при которой оптические линии связи доводят до отдельных многоквартирных домов, и, тем не менее, для рядового потребителя оптическое волокно все еще остается экзотикой. Нам бы было интересно узнать, как много наших читателей использует его дома, потому что, по большинству квартир по-прежнему тянется старая-добрая витая пара.

Оптическое волокно не только дорогое и сложное в производстве. Еще дороже оказывается его квалифицированное обслуживание. Тут не обойтись без синей изоленты. При монтаже волокна кварца необходимо специальным образом сращивать, а линии оптоволоконной связи комплектовать дополнительным оборудованием.

Несмотря на то, что разность коэффициентов преломления в сердцевине и оболочке волокна в теории создает идеальный световод, запущенный по кварцевому проводу свет все равно затухает из-за примесей, содержащихся в стекле. Увы, избавиться от них полностью практически невозможно. Десятка молекул воды на километр оптического волокна уже достаточно, чтобы внести в сигнал ошибки и снизить расстояние, на которое его можно передать.

С подобной проблемой сталкиваются инженеры-электрики и в случае с обычными проводами. Расстояние, на которое можно без проблем отправить сигнал по проводу они называют дистанцией регенерации.

Для стандартного телефонного кабеля она равняется километру, у экранированного кабеля - пяти. Оптоволоконная жила удерживает свет на расстоянии до нескольких сотен километров, но, в конце концов, сигнал все равно приходится усиливать, регенерировать. На классических линиях связи устанавливаются сравнительно дешевые и простые усилители. Для оптоволоконных – требуются сложные и высокотехничные агрегаты в которых используются редкоземельные металлы и инфракрасные лазеры.

В линию связи врезают небольшой участок специально подготовленного стекловолокна. Оно дополнительно насыщенно атомами эрбия, редкоземельного элемента используемого, помимо прочего, в атомной промышленности. Атомы эрбия в этом участке волокна находятся в возбужденном состоянии из-за дополнительной накачки светом. Проще говоря, их подсвечивают специально настроенным лазером. Сигнал, проходящий такую область кабеля, усиливается примерно в два раза, поскольку атомы эрбия в ответ на воздействие излучают свет той же волны, что и входящий сигнал, а значит, сохраняют закодированную в нем информацию. После усилителя оптический сигнал может пройти еще около ста километров, прежде чем процедуру потребуется повторить.

Такие системы требуют обученных специалистов для обслуживания и постоянного присмотра, так что экономическая выгода от прокладки индивидуальных оптических линий для конкретных абонентов остается сомнительной в большинстве стран мира. И все же, все мы используем стекловолокно для передачи сообщений. Весь современный интернет базируется на этой технологии и именно благодаря ей стали возможны интернет трансляции в сверхвысоком разрешении, видеостриминг, онлайн игры с минимальной задержкой, мгновенная связь с практически любой точкой планеты и даже мобильный интернет. Да, базовые станции сотовой связи также связывает стекловолокно.

Несмотря на то, что ученые ищут новые пути построения коммуникационных сетей, мы не получим ничего более практичного еще очень долго. Экспериментальные технологии позволяют поднять информационную емкость стекловолокна в два-три раза, все более толстые многожильные стеклянные кабели ложатся на морское дно между континентами, однако принципиальные ограничения, накладываемые скоростью света, запертого в кварцевой жиле, преодолеть вряд ли удастся. Выходом видится отказ от кварца и связанных с ним ограничений, передача информации с помощью лазеров, но она возможна только по прямой. Следовательно, передатчики придется разместить в космосе или хотя бы в верхних слоях атмосферы. Подобные эксперименты в последние годы привлекли внимание крупнейших корпораций, но это уже совсем другая история.

На сегодняшний день оптический аудио-кабель - один из самых современных, а также надежных способов для По оптоволокну передача данных производится с использованием света. Как всем известно, свет - одно из самых быстрых в мире явлений, поэтому стоит понять, что же представляет собой такой кабель, как он работает и для чего нужен.

Свет является электромагнитной волной высокой частоты. Если он проходит через оптическое волокно, то одновременно может нести очень большое При этом такой способ передачи стабилен и имеет высокую помехоустойчивость к электромагнитному излучению. При прохождении через световод световая волна затухает - это зависит от прозрачности, а также других свойств, которыми обладает оптоволокно, в частности оптический аудио-кабель.

Давайте посмотрим подробнее на примере оптического кабеля DAXX R07. Создан он из стеклянных волокон, у которых высокий уровень прозрачности. Также он обладает низким коэффициентом дисперсии, что обеспечивает стабильный поток данных и высокую скорость распространения света. Благодаря этим свойствам, оптический аудио-кабель R07 в семействе межблочников считается одним из лучших, поэтому отлично подходит для домашних кинотеатров high-end класса.

Стеклянную фибру этого кабеля составляют 280 тонких волокон. Толщина одного волокна 53 микрон. Каждое волокно лакировано специальным отражающим слоем, у которого высокий индекс рефракции - это способствует формированию плавного потока света с минимально возможным затуханием. Такая конструкция обеспечивает высокую стабильность при передаче большого объема данных, именно поэтому для сигналов аудио, оптический кабель R07 является одним из самых лучших.

Для защиты от механических повреждений многожильное волокно заливается специальным буфером, а для максимальной гибкости всей конструкции используется двойной слой поливинилхлорида. От чрезмерных изгибов кабель предохраняет наружный нейлоновый экран. Металлические коннекторы обеспечивают долговечность применения.

Перед электрическим коаксиальным кабелем оптический аудио-кабель имеет ряд преимуществ:

Оптика обладает способностью передавать большие объемы цифровой информации;

С помощью оптоволокна можно сделать между двумя компонентами развязку по «земле». В особенности это актуально, когда системный блок компьютера подключается к ресиверу.

Качественный оптоволоконный кабель стоит недешево. Также дорого обойдется его реализация (до $40-50). При бюджетном оборудовании трудно пользоваться преимуществами «оптики», поэтому очень часто вместо оптического кабеля пользователи выбирают более дешевый коаксиальный цифровой кабель.

Нередко у специалистов спрашивают, нужно ли покупать дорогостоящий кабель, ведь большая часть оснащается только оптическим цифровым выходом? Так вот, дорогой кабель не особо нужен. В спутниковом телевидении качество звука не самое высокое (цифровой поток аудиоданных имеет невысокий битрейт), поэтому для этих целей оптический аудио-кабель купить можно самый простой, который стоит примерно 10-12 долларов.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) давно занимают одну из лидирующих позиций на рынке телекоммуникаций. Имея ряд преимуществ перед другими способами передачи информации (витая пара, коаксиальный кабель, беспроводная связь…), ВОЛС широко используются в телекоммуникационных сетях разных уровней, а также в промышленности, энергетике, медицине, системах безопасности, высокопроизводительных вычислительных системах и во многих других областях.

Передача информации в ВОЛС осуществляется по оптическому волокну (optical fiber). Для того чтобы грамотно подойти к вопросу использования ВОЛС, важно хорошо понимать, что из себя представляет оптическое волокно как среда передачи данных, каковы его основные свойства и характеристики, какие бывают разновидности оптических волокон. Именно этим базовым вопросам теории волоконно-оптической связи и посвящена данная статья.

Структура оптического волокна

Оптическое волокно (оптоволокно) - это волновод с круглым поперечным сечением очень малого диаметра (сравним с толщиной человеческого волоса), по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона. Длины волн оптического излучения занимают область электромагнитного спектра от 100 нм до 1 мм, однако в ВОЛС обычно используется ближний инфракрасный (ИК) диапазон (760-1600 нм) и реже - видимый (380-760 нм). Оптическое волокно состоит из сердцевины (ядра) и оптической оболочки, изготовленных из материалов, прозрачных для оптического излучения (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция оптического волокна

Свет распространяется по оптоволокну благодаря явлению полного внутреннего отражения. Показатель преломления сердцевины, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5, всегда немного больше, чем показатель преломления оптической оболочки (разница порядка 1%). Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине под углом, не превышающим некоторое критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки (рис. 2). Это следует из закона преломления Снеллиуса. Путем многократных переотражений от оболочки эти волны распространяются по оптическому волокну.

Рис. 2. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне

На первых метрах оптической линии связи часть световых волн гасят друг друга вследствие явления интерференции. Световые волны, которые продолжают распространяться в оптоволокне на значительные расстояния, называются пространственными модами оптического излучения. Понятие моды описывается математически при помощи уравнений Максвелла для электромагнитных волн, однако в случае оптического излучения под модами удобно понимать траектории распространения разрешенных световых волн (обозначены черными линиями на рис. 2). Понятие моды является одним из основных в теории волоконно-оптической связи.

Основные характеристики оптического волокна

Способность оптического волокна передавать информационный сигнал описывается при помощи ряда геометрических и оптических параметров и характеристик, из которых наиболее важными являются затухание и дисперсия .

1. Геометрические параметры.

Помимо соотношения диаметров сердцевины и оболочки, большое значение для процесса передачи сигнала имеют и другие геометрические параметры оптоволокна, например:

• некруглость (эллиптичность) сердцевины и оболочки, определяемая как разность максимального и минимального диаметров сердцевины (оболочки), деленная на номинальный радиус, выражается в процентах;
• неконцентричность сердцевины и оболочки - расстояние между центрами сердцевины и оболочки (рис. 3).

Рис 3. Некруглость и неконцентричность сердцевины и оболочки

Геометрические параметры стандартизированы для разных типов оптического волокна. Благодаря совершенствованию технологии производства значения некруглости и неконцентричности удается свести к минимуму, так что влияние неточности геометрии оптоволокна на его оптические свойства оказывается несущественным.

(NA) - это синус максимального угла падения луча света на торец волокна, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения (рис. 4). Этот параметр определяет количество мод, распространяющихся в оптическом волокне. Также величина числовой апертуры влияет на точность, с которой должна производиться стыковка оптических волокон друг с другом и с другими компонентами линии.

Рис 4. Числовая апертура

3. Профиль показателя преломления.

Профиль показателя преломления - это зависимость показателя преломления сердцевины от ее поперечного радиуса. Если показатель преломления остается одинаковым во всех точках поперечного сечения сердцевины, такой профиль называется ступенчатым . Среди других профилей наибольшее распространение получил градиентный профиль, при котором показатель преломления плавно увеличивается от оболочки к оси (рис. 5). Помимо этих двух основных, встречаются и более сложные профили.

Рис. 5. Профили показателя преломления

4. Затухание (потери).

Затухание - это уменьшение мощности оптического излучения по мере распространения по оптическому волокну (измеряется в дБ/км). Затухание возникает вследствие различных физических процессов, происходящих в материале, из которого изготавливается оптоволокно. Основными механизмами возникновения потерь в оптическом волокне являются поглощение и рассеяние.

а) Поглощение . В результате взаимодействия оптического излучения с частицами (атомами, ионами…) материала сердцевины часть оптической мощности выделяется в виде тепла. Различают собственное поглощение , связанное со свойствами самого материала, и примесное поглощение , возникающее из-за взаимодействия световой волны с различными включениями, содержащимися в материале сердцевины (гидроксильные группы OH - , ионы металлов…).

б) Рассеяние света, то есть отклонение от исходной траектории распространения, происходит на различных неоднородностях показателя преломления, геометрические размеры которых меньше или сравнимы с длиной волны излучения. Такие неоднородности являются следствием как наличия дефектов структуры волокна (рассеяние Ми ), так и свойствами аморфного (некристаллического) вещества, из которого изготавливается волокно (рэлеевское рассеяние ). Рэлеевское рассеяние является фундаментальным свойством материала и определяет нижний предел затухания оптического волокна. Существуют и другие виды рассеяния (Бриллюэна-Мандельштама, Рамана) , которые проявляются при уровнях мощности излучения, превышающих те, которые обычно используются в телекоммуникациях.

Величина коэффициента затухания имеют сложную зависимость от длины волны излучения. Пример такой спектральной зависимости приведен на рис. 6. Область длин волн с низким затуханием называется окном прозрачности оптического волокна. Таких окон может быть несколько, и именно на этих длинах волн обычно осуществляется передача информационного сигнала.

Рис. 6. Спектральная зависимость коэффициента затухания

Потери мощности в волокне обуславливаются также различными внешними факторами. Так, механические воздействия (изгибы, растяжения, поперечные нагрузки) могут приводить к нарушению условия полного внутреннего отражения на границе сердцевины и оболочки и выходу части излучения из сердцевины. Определенное влияние на величину затухания оказывают условия окружающей среды (температура, влажность, радиационный фон…).

Поскольку приемник оптического излучения имеет некоторый порог чувствительности (минимальную мощность, которую должен иметь сигнал для корректного приема данных), затухание служит ограничивающим фактором для дальности передачи информации по оптическому волокну.

5.Дисперсионные свойства.

Помимо расстояния, на которое передается излучение по оптическому волокну, важным параметром является скорость передачи информации. Распространяясь по волокну, оптические импульсы уширяются во времени. При высокой частоте следования импульсов на определенном расстоянии от источника излучения может возникнуть ситуация, когда импульсы начнут перекрываться во времени (то есть следующий импульс придет на выход оптического волокна раньше, чем закончится предыдущий). Это явление носит название межсимвольной интерференции (англ. ISI - InterSymbol Interference, см. рис. 7). Приемник обработает полученный сигнал с ошибками.

Рис. 7. Перекрывание импульсов, вызывающее межсимвольную интерференцию: а) входной сигнал; б) сигнал, прошедший некоторое расстояние L1 по оптическому волокну; в) сигнал, прошедший расстояние L2> L1.

Уширение импульса, или дисперсия , обуславливается зависимостью фазовой скорости распространения света от длины волны излучения, а также другими механизмами (табл. 1).

Таблица 1. Виды дисперсии в оптическом волокне.

Название	Краткое описание	Параметр
1. Хроматическая дисперсия	Любой источник излучает не одну длину волны, а спектр незначительно отличающихся длин волн, которые распространяются с разной скоростью.	Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм*км). Может быть положительным (спектральные составляющие с большей длиной волны двигаются быстрее) и отрицательным (наоборот). Существует длина волны с нулевой дисперсией.
а) Материальная хроматическая дисперсия	Связана со свойствами материала (зависимость показателя преломления от длины волны излучения)
б) Волноводная хроматическая дисперсия	Связана с наличием волноводной структуры (профиль показателя преломления)
2. Межмодовая дисперсия	Моды распространяются по разным траекториям, поэтому возникает задержка во времени их распространения.	Ширина полосы пропускания ( bandwidth), МГц*км . Эта величина определяет максимальную частоту следования импульсов, при которой не происходит межсимвольной интерференции (сигнал передается без существенных искажений). Пропускная способность канала (Мбит/с) может численно отличаться от ширины полосы пропускания (МГц*км) в зависимости от способа кодирования информации.
3. Поляризационная модовая дисперсия, PMD	Мода имеет две взаимно перпендикулярные составляющие (поляризационные моды), которые могут распространяться с различными скоростями.	Коэффициент PMD, пс/√км . Временная задержка из-за PMD, нормируемая на 1 км.

Таким образом, дисперсия в оптическом волокне отрицательно сказывается как на дальности, так и на скорости передачи информации.

Разновидности и классификация оптических волокон

Рассмотренные свойства являются общими для всех оптических волокон. Однако описанные параметры и характеристики могут существенно отличаться и оказывать различное влияние на процесс передачи информации в зависимости от особенностей производства оптоволокна.

Фундаментальным является деление оптическим волокон по следующим критериям.

1. Материал . Основным материалом для изготовления сердцевины и оболочки оптического волокна является кварцевое стекло различного состава. Однако используется большое количество других прозрачных материалов, в частности, полимерные соединения.
2. Количество распространяющихся мод . В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна (основная) или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые (рис. 8).

Рис. 8. Многомодовое и одномодовое волокно

На основании этих факторов можно выделить четыре основных класса оптических волокон, получивших распространение в телекоммуникациях:

1. (POF).
2. (HCS).

Каждому из этих классов посвящена отдельная статья на нашем сайте. Внутри каждого из этих классов также существует своя классификация.

Производство оптических волокон

Процесс изготовления оптического волокна крайне сложен и требует большой точности. Технологический процесс проходит в два этапа: 1) создание заготовки, представляющей собой стержень из выбранного материала со сформированным профилем показателя преломления, и 2) вытягивание волокна в вытяжной башне, сопровождающееся покрытием защитной оболочкой. Существует большое количество различных технологий создания заготовки оптического волокна, разработка и совершенствование которых происходит постоянно.

Практическое использование оптического волокна в качестве среды передачи информации невозможно без дополнительного упрочнения и защиты. Волоконно-оптическим кабелем называется конструкция, включающая в себя одно или множество оптических волокон, а также различные защитные покрытия, несущие и упрочняющие элементы, влагозащитные материалы. По причине большого разнообразия областей применения оптоволокна производители выпускают огромное количество самых разных волоконно-оптических кабелей, отличающихся конструкцией, размерами, используемыми материалами и стоимостью (рис. 9).

Рис.9. Волоконно-оптические кабели