Оптические волокна, у которых показатель преломления меняется скачком (ступенькой) при переходе от сердцевины к оболочке (или к оболочкам, если их несколько), назвали ступенчатыми.
Обычно показатели преломления сердцевины и оболочки различаются незначительно. Например, если показатель преломления сердцевины n1 = 1,465, то показатель преломления оболочки n2 = 1,460. Расчет по приведенной ранее формуле показывает, что в сердцевину войдут не все лучи, а только те из них, которые подходят к торцу под небольшим углом. Если к тому же сделать сердцевину очень тонкой, скажем 5-10 мкм (это тоньше человеческого волоса), то по ней сможет распространяться всего один луч или, говорят, одна мода. Весь же волоконный световод вместе с оболочкой имеет стандартный диаметр — 125 мкм. Называется он одномодовым и в него лучше направлять острый луч полупроводникового лазера, так как рассеянный поток света от светодиода ввести в тонкую сердцевину очень трудно.
На практике широко применяются также волокна с толстой сердцевиной (50–80 мкм), внешний их диаметр оставляют неизменным (125 мкм). С такими световодами могут уже без особых сложностей "работать" недорогие и изготавливаемые в массовом количестве светодиоды. В связи с тем что в толстую сердцевину волокна может войти (и будут распространяться по ней) сразу много лучей (или мод), а не один, как в одномодовом волокне, световод такой конструкции получил название многомодового.
У читателя может сложиться впечатление, что использовать многомодовое волокно гораздо выгоднее, чем одномодовое: и высокая точность изготовления сердцевины не требуется, и дорогостоящий источник света — полупроводниковый лазер — не нужен, и меньшие сложности возникают при соединении волокон друг с другом и волокна с источником (можно обойтись без специальных разъемов, изготовленных с очень высокой точностью и потому стоящих баснословные деньги). Однако это не так. У многомодовых светодиодов есть один существенный недостаток, сводящий на нет все их преимущества. Но прежде чем сказать о нем, посмотрим, как "вводятся" в световой поток биты информации.
Напомним, что модуляция света в открытых оптических линиях связи, использующих мощные лазеры, осуществлялась с помощью специальных электрооптических затворов — ячеек Керра или Поккельса. Преобразованные в импульсы биты управляли прозрачностью затвора: передается 0 — затвор закрыт; передается 1 — затвор открыт — и луч света вырывается в пространство.
Полупроводниковым источникам — лазеру и светодиоду — не нужен электрооптический затвор. Интенсивностью излучения здесь можно управлять с помощью тока, подводимого к полупроводнику. В лазерах управляющий ток называют током накачки (чтобы лазер '’засветился*', он должен превысить несколько сотен миллиампер), а в светодиодах — током возбуждения (мощность излучения последних плавно растете увеличением тока).
Теперь ясно: чтобы вызвать излучение источника, нужно в качестве управляющего тока использовать информационные импульсы. Есть импульс тока (передача 1) — "вспыхивает" импульс света; нет импульса тока (передача 0) — нет и излучения.
Импульсные вспышки света на приемном торце световода регистрируются знакомым нам "фотоглазом" — фотоэлементом. Только сделан он тоже из полупроводника и называют его фотодиодом.
А сейчас мы можем вернуться к недостатку многомодового волокна. Представьте, что по такому волокну передаются импульсы с очень высокой скоростью, например 1 Гбит/c (миллиард бит в секунду). Каждому импульсу соответствует очень короткая вспышка света длительностью 1 нс (миллиардная доля секунды — ее трудно себе даже представить!). Так должно быть. И так было бы, если бы вдоль волокна распространялся всего один луч. Но в многомодовом волокне распространяется много лучей: один из них проходит более короткий путь — вдоль оси сердцевины, а другие, которым приходится отражаться от боковой поверхности бесконечное число раз, — самый длинный путь. И эта разница в пути возрастает с увеличением длины волокна. За счет опоздавших к "выходу на сцену" лучей световой импульс "размажется" во времени. Сложится такая ситуация: уже давно пора передавать следующий импульс, а еще не "погасли" вспышки света от предыдущего. Наступит невообразимая мешанина. Чтобы этого не случилось, придется уменьшать скорость передачи до тех пор, пока вспышки света не будут четко отделены одна от другой интервалами времени.
Ограничение скорости передачи цифровой информации — вот основной недостаток многомодовых световодов, а роскоши "не торопиться" наш век себе позволить не может. Предельная скорость передачи по ним — 20 Мбит/с. Зато по одномодовым световодам можно "гнать" информацию со скоростью 100 Гбит/с, т. е. в 5 000 раз быстрее.
Для того чтобы реализовать достоинства многомодовых световодов и в то же время повысить скорость передачи информации по ним, ученые предложили делать эти световоды не ступенчатыми (т. е. не со скачкообразным изменением показателей преломления сердцевины и оболочки), а, как говорят специалисты, градиентными — с плавным изменением показателя преломления сердцевины от одного края до другого. Такой "маневр" позволяет в какой-то мере выровнять время хода различных лучей и уменьшить "размывание" (специалисты сказали бы: дисперсию) световых импульсов. Скорость передачи по таким волокнам возрастает по сравнению со ступенчатыми волокнами в 100 раз, т. е. до 2 Гбит/с. При изготовлении градиентных волокон нужно следить за тем, чтобы количество присадок в газообразной смеси горелки, "отвечающих" за показатель преломления, при осаждении слоя сердцевины непрерывно менялось по нужному закону.
Итак, вы познакомились с различными типами оптических волокон. Но волокна не применяются отдельно. Их объединяют в оптические кабели. Мы оставим в стороне подробности их многообразных конструкций — на эту тему много написано популярных книг и брошюр. Скажем лишь, что по внешнему виду они очень похожи на электрические кабели и могут содержать от одного до нескольких сотен волокон.
Оптические кабели ни в чем не уступают электрическим! Их можно прокладывать в земле и под водой, подвешивать на опорах, протягивать в кабельных канализациях. Они легко изгибаются — световоды не ломаются даже тогда, когда радиус изгиба очень мал, меньше 1 см; прочны на разрыв — само волокно из-за его однородности оказалось крепче стальной струны того же диаметра, да и в кабель вводятся специальные упрочняющие (армирующие) элементы; хорошо защищены от влаги и сырости — иначе бы стекло помутнело и изменило свои оптические свойства.
Оптические кабели во многом превосходят электрические! Они имеют большую пропускную способность. При одинаковой же пропускной способности они в 5–6 раз тоньше и в 10 раз легче электрических. Оптическим кабелям не страшны удары молний, их не разъедает коррозия; на них не влияют ни радиостанции, ни электропоезда, ни трамваи, ни метрополитен; в них не рождаются взаимные помехи. А сколько дефицитной меди экономят эти кабели! Между тем запасы кварцевого стекла в природе практически не ограничены. Без риска ошибиться предречем: за ними будущее.
Сейчас оптические кабели каждый день находят новые применения: связывают между собой города и континенты, соединяют АТС разных районов одного города, приходят в квартиры жителей. В скором времени любой из нас сможет передавать из своего дома не только речевые сообщения, но и компьютерные данные, и даже видеоизображения. Доступ к базам данных, электронным музеям и библиотекам, покупка товаров по кабельному телевидению, организация деловых телеконференций — все эти услуги помогут предоставить пользователю оптические кабели.
Ну, что же, наше небольшое путешествие в увлекательный мир электричества, радиоволн и света подошло к концу. Пусть наши неутомимые пассажиры — биты — совершают свои ближние и дальние "круизы" по медным рельсам, космическим радиомостам, стеклянным тоннелям, а мы с вами задержимся и побродим немного по станции, где формируются потоки этих неугомонных пассажиров. Здесь ведь тоже так много интересного!
