Разработка в 1960 - 1961 гг. лазера - источника когерентного излучения в световом диапазоне - стимулировала широкий интерес к использованию света для передачи информации. Поскольку лазер (Laser - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - оптический квантовый генератор) является источником монохроматического света (в отличие от света обычной лампочки), он дает возможность осуществлять направленное излучение, модулируемое как обычная несущая на радиочастоте.
Если гармоническое излучение имеет частоту 109 МГц и имеется способ модуляции, позволяющий сделать полосу излучения по крайней мере 0,1 % от несущей (сравните с телевидением, где на несущей 100 МГц передается телевизионный сигнал с полосой около 5 МГц, т. е. соотношение полосы к несущее составляет 5 %), то при этом полоса излучения составит 1000 МГц. Действительно, если полоса высококачественного цифрового телевизионного сигнала равна 100 МГц, то в полосе 1000 ГГц можно разместить 10 тыс. цифровых телевизионных каналов.
Передавать информацию с помощью световой несущей можно двумя способами: в атмосфере и по искусственному проводнику света - световоду. Предпочтительней, естественно, является второй способ, его мы и рассмотрим.
Световод представляет собой широкополосную передающую среду. Толщина световода незначительна - он тоньше человеческого волоса. Это позволяет упаковывать огромное число световодов в структуру с малым поперечным сечением и получать компактный оптический кабель, размеры которого даже необходимо искусственно увеличивать для удобства обращения с ним. Существует большое число разновидностей оптических волокон. Их классифицируют по применяемым материалам (например, группа кварцевых стекол), структуре (с плавным или ступенчатым изменением показателя преломления), передаваемым модам (многомодовые, одномодовые).
Световод состоит из сердцевины с большим показателем преломления, по которому переносится основная часть светового потока, и оболочки, покрывающей сердцевину, с постоянным показателем преломления (рис. 10, а). Оболочка помогает удержать электромагнитную энергию преимущественно в области сердцевины благодаря полному отражению от границы раздела сердцевина - оболочка.
В световодах из многомодового волокна существуют два типа световых потоков: поток, распространяющийся вдоль продольной оси волокна, и поток, распространяющийся по зигзагообразной траектории. В световодах из одномодового волокна существует только поток продольного направления. На рис. 11 показаны три основных типа применяемых оптических волокон.
Считают, что применительно к оптической связи оптимально использование следующих длин волн: 0,85; 1,05; 1,3; 1,6 мкм, а для передачи в атмосфере - 10 мкм.
Для получения волоконного, световода должна быть изготовлена сложная структура. Выбор материалов для изготовления оптического волокна определяется рядом требований. Во-первых, материал должен обладать способностью вытягиваться в тонкую нить, быть прозрачными иметь разные показатели преломления сердцевины и оболочки. Подходящими материалами являются пластмассы и стекла. Во-вторых, из-за требований малого затухания световых волн в световоде (по крайней мере, менее 20 дБ/км) работа по выбору материалов для световодов является одной из важнейших. Пластмассы вследствие больших молекул и наличия в их структуре водорода вызывают рассеяние и поглощение распространяющегося сигнала. У стекла есть свои недостатки, основной из которых связан с трудностями получения его высокой химической чистоты.
Стекла являются смесями, и число их разновидностей огромно. Наиболее подходящими для оптических волокон оказывается оксидное стекло и одна из его разновидностей - кварцевое. Исходными материалами для изготовления волокон являются карбонаты натрия и кальция, борная кислота, кремнезем (песок) и окись свинца. От состава стекла зависят вязкость, показатель преломления и коэффициент теплового расширения. Волокна обычно получают из кварцевого стекла с высоким содержанием SiO2 по методу, основанному на химическом осаждении материала из газовой фазы.
Волокно слишком хрупкая нить, чтобы им пользоваться непосредственно. На его основе изготовляют оптический кабель. Один из вариантов конструкции кабеля таков: в центре сечения располагаются стальные нити, служащие упрочняющими элементами, как правило они покрываются оболочкой, затем по периметру укладываются оптические волокна с полимерной защитой (см. рис. 10, б).
В качестве источника света обычно используется лазер на арсениде галлия с длиной волны излучения 0,84 мкм и средней мощностью от 1 до 10 мВт. Это излучение находится в невидимой части спектра (видимый диапазон спектра занимает область от 0,4 мкм - фиолетовый цвет, до 0,8 мкм-красный цвет). Кроме источника света в передающее устройство входит модулятор. На приемном конце линии сигналы детектируются фотодиодом; для исключения ошибок часто применяется помехоустойчивое кодирование.
Технология производства световодов и соответствующей приемопередающей аппаратуры развивается быстрыми темпами. Существует еще одно направление в волоконной оптике - волоконные световоды среднего инфракрасного диапазона. Потери в этих световодах примерно 0,1 - 0,01 дБ/км в области длин волн 2 - 15 мкм.
В световодах из многомодового волокна существуют два типа световых потоков: поток, распространяющийся вдоль продольной оси волокна, и поток, распространяющийся по зигзагообразной траектории. В световодах из одномодового волокна существует только поток продольного направления. На рис. 11 показаны три основных типа применяемых оптических волокон.