В оптических волокнах свет распространяется в виде собственных мод — устойчивых волновых решений, соответствующих граничным условиям, определяемым геометрией и распределением показателя преломления. Мода — это конкретная пространственная конфигурация электромагнитного поля, которая может устойчиво распространяться вдоль волокна без изменения своей формы (кроме глобальной фазы и возможного затухания).
Число поддерживаемых мод определяется нормализованной частотой волокна, называемой также числовой апертурой V-параметром, который задаётся выражением:
$$ V = \frac{2\pi a}{\lambda} \cdot \text{NA} = \frac{2\pi a}{\lambda} \cdot \sqrt{n_1^2 - n_2^2} $$
где
Если V < 2.405, волокно поддерживает только одну моду, т.е. работает в одномодовом режиме. При V > 2.405 возбуждаются дополнительные моды — волокно становится многомодовым.
Одномодовое волокно имеет очень малый диаметр сердцевины — обычно порядка 8–10 мкм. Показатель преломления сердцевины слегка превышает показатель оболочки (разность порядка 10−3–10−2). Благодаря малому размеру сердцевины и ограниченному числу поддерживаемых мод, в таких волокнах распространяется только основная мода LP01, что обеспечивает крайне высокую устойчивость к модовой дисперсии.
Основная мода обладает гладким гауссовым профилем поля. Энергия слабо затухает при передаче на большие расстояния, а фазовый и групповой фронты сохраняют свою форму. Это делает одномодовые волокна идеальными для дальнемагистральных оптических линий связи, в том числе с применением лазеров с узкой спектральной шириной.
В одномодовых волокнах главную роль в ограничении пропускной способности играет хроматическая дисперсия — зависимость групповой скорости от длины волны. Её можно компенсировать введением:
В многомодовых волокнах радиус сердцевины значительно больше — обычно 50–100 мкм, а числовая апертура больше по сравнению с одномодовыми. Это позволяет возбуждать и распространять десятки или сотни мод. Профиль показателя преломления может быть:
Каждая мода распространяется с собственной фазовой и групповой скоростью. Из-за различий во времени прохождения сигналов в разных модах возникает модовая дисперсия, которая ограничивает длину линии передачи и её пропускную способность. Особенно сильно это проявляется в волокнах с большим диаметром сердцевины и резким перепадом показателя преломления.
Градиентные профили уменьшают модовую дисперсию, поскольку ускоряют внешние моды и замедляют центральные, уравновешивая времена прохождения.
Преимущества:
Ограничения:
| Параметр | Одномодовое волокно | Многомодовое волокно |
|---|---|---|
| Диаметр сердцевины | 8–10 мкм | 50–100 мкм |
| Число поддерживаемых мод | 1 | До сотен |
| Пропускная способность | Очень высокая | Ограниченная (до Гбит/с) |
| Дальность передачи | Сотни км | До 1–2 км |
| Источник света | Лазер | Светодиод или лазер |
| Ввод излучения | Требует точного выравнивания | Прост в сопряжении |
| Стоимость компонентов | Выше | Ниже |
Некоторые конструкции ориентированы на поддержку лишь нескольких мод при более широком сердечнике. Это используется, например, в мощных лазерных системах, где требуется высокая мощность без возбуждения паразитных мод.
В них реализована анизотропия, которая подавляет распространение ортогональных поляризаций, обеспечивая устойчивость поляризации на всём протяжении волокна. Широко применяются в сенсорике, интерферометрии и квантовых системах.
Современные многомодовые волокна разрабатываются с целью повышения пропускной способности с применением модового мультиплексирования (Mode-Division Multiplexing, MDM), где каждая мода может нести независимый канал передачи. Это требует сложной координации фаз и амплитуд, но открывает перспективу масштабирования каналов передачи.
Распределение электромагнитного поля в волокне определяется решением волнового уравнения в цилиндрической геометрии. В приближении слабого направляющего слоя ($\Delta = \frac{n_1 - n_2}{n_1} \ll 1$), моды описываются как линейные поляризованные моды (LPlm).
Для точного анализа применяется численное моделирование методом:
Такие методы позволяют исследовать не только модовую структуру, но и потери, кросс-модуляции, нелинейные эффекты и параметры дисперсии.
В одно- и многомодовых волокнах потери могут быть:
В одномодовых волокнах также более выражены нелинейные эффекты: самофокусировка, четырёхволновое смешение, нелинейное рассеяние, эффект Керра. Это критично для систем сверхвысокой плотности передачи данных и требует использования управляемых дисперсионных профилей и компенсации фаз.
Выбор между одномодовым и многомодовым волокном зависит от длины линии передачи, пропускной способности, допустимых потерь, стоимости компонентов и параметров сопряжения. Одномодовые волокна обеспечивают максимальное качество передачи на больших расстояниях, в то время как многомодовые применяются в системах, где приоритетом являются простота, дешевизна и ограниченная протяжённость.