Структура оптических волокон

Основные конструктивные элементы

Оптическое волокно представляет собой цилиндрическую структуру, изготовленную из диэлектрического материала, предназначенную для направленного распространения света за счёт многократного полного внутреннего отражения. Стандартная структура оптического волокна включает следующие основные слои:

Сердцевина (core) – центральная часть волокна, по которой распространяется основная доля световой энергии. Изготавливается из высокоочищенного кварцевого стекла или другого диэлектрического материала с высоким показателем преломления.
Оболочка (cladding) – окружающий сердцевину слой с пониженным показателем преломления. Основная функция — обеспечение условий полного внутреннего отражения на границе раздела с сердцевиной.
Покрытие (coating) – полимерный слой, обеспечивающий механическую защиту волокна от внешних воздействий, таких как изгиб, влага, микротрещины.
Дополнительные защитные слои (в некоторых конструкциях) – включают гелевые прокладки, бронированные оболочки, внешние кабельные покрытия, предназначенные для работы в агрессивных средах или при прокладке на большие расстояния.

Материалы сердцевины и оболочки

Выбор материала играет ключевую роль в характеристиках волокна. Наиболее широко применяются:

Кварцевое стекло (SiO₂) высокой чистоты, легированное добавками (например, GeO₂ для повышения показателя преломления сердцевины, B₂O₃ или F для снижения показателя оболочки).
Пластмассовые материалы (POF — polymer optical fibers) — используются в недорогих и коротких линиях связи, обладают большей гибкостью, но меньшей пропускной способностью.

Контроль показателя преломления осуществляется за счёт дифференцированного легирования: сердцевина имеет показатель n₁, оболочка — n₂, где n₁ > n₂, что обеспечивает условия полного внутреннего отражения.

Профиль показателя преломления

В зависимости от распределения показателя преломления в поперечном сечении волокна различают два основных типа:

Ступенчатый профиль (step-index fiber) – резкий переход между n₁ и n₂ на границе сердцевины и оболочки. Такое волокно может быть одномодовым (SMF — single-mode fiber) или многомодовым (MMF — multimode fiber).
Градуированный профиль (graded-index fiber) – плавное изменение показателя преломления от центра к периферии по параболическому или другому закону. Применяется в многомодовых волокнах для компенсации различий во времени прохождения мод.

Одномодовые и многомодовые волокна

Одномодовые волокна имеют малый диаметр сердцевины (обычно порядка 8–10 мкм) и поддерживают распространение только одной моды на длине волны, превышающей так называемую предельную длину отсечки. Они обеспечивают наименьшие потери и дисперсию, применяются в магистральных линиях связи, волоконной лазерной технике, прецизионных измерениях.

Многомодовые волокна имеют диаметр сердцевины порядка 50–62.5 мкм и способны поддерживать распространение десятков и сотен мод. Применяются на коротких расстояниях, особенно в системах локальной связи. В многомодовом волокне возникает модовая дисперсия — различие во временах прохождения различных мод, ограничивающее пропускную способность.

Числовая апертура и критический угол

Числовая апертура (NA — numerical aperture) описывает способность волокна собирать свет:

$$ NA = \sqrt{n_1^2 - n_2^2} $$

Она определяет максимальный угол вхождения луча в сердцевину, при котором ещё возможно полное внутреннее отражение. Соответствующий предельный угол вхождения θ_max можно найти как:

θ_max = arcsin (NA)

Критический угол θ_c на границе сердцевины и оболочки определяется как:

$$ \theta_c = \arcsin\left(\frac{n_2}{n_1}\right) $$

Для углов больше θ_c происходит полное внутреннее отражение, обеспечивая направленное распространение световой волны вдоль волокна.

Поперечные моды и условие одномодового режима

Число поддерживаемых мод определяется V-параметром (нормализованной частотой):

$$ V = \frac{2\pi a}{\lambda} \cdot NA $$

где a — радиус сердцевины, λ — длина волны света.

Одномодовый режим обеспечивается при:

V < 2.405

При больших значениях V возбуждаются несколько поперечных мод. В многомодовом волокне V-параметр может достигать 100 и более.

Поляризационные характеристики

В некоторых приложениях важна устойчивость поляризации. Разработаны специальные типы оптических волокон:

PM-волокна (Polarization Maintaining Fibers) — имеют анизотропную структуру (например, включения из боросиликата или эллиптическую сердцевину), которая предотвращает перекрёстную поляризацию.
Такие волокна критичны для интерферометрии, квантовой связи, гироскопов.

Дисперсия в волокне

Суммарная дисперсия складывается из:

Хроматической дисперсии — обусловленной зависимостью показателя преломления от длины волны (материальной дисперсией) и геометрической конфигурацией волокна (волноводной дисперсией).
Модовой дисперсии — значительна в многомодовых волокнах.
Поляризационной модовой дисперсии (PMD) — возникает в результате несоответствий осей симметрии волокна.

Существуют специальные дисперсионно-смещённые волокна (DSF) и волокна с нулевой дисперсией, предназначенные для подавления этих эффектов в диапазоне рабочих длин волн.

Специальные типы оптических волокон

Фотонно-кристаллические волокна – используют структуру с периодически распределёнными воздушными капиллярами, формирующими эффективную оболочку. Позволяют добиться уникальных свойств распространения света, включая одно- или многомодовые режимы при большом диаметре сердцевины.
Волокна с полым сердечником – свет распространяется в воздушной или вакуумной сердцевине, окружённой фотонной оболочкой. Обеспечивают крайне низкие потери и дисперсию.
Активные волокна – легированы редкоземельными ионами (Er³⁺, Yb³⁺, Nd³⁺ и др.) для генерации и усиления излучения. Применяются в волоконных лазерах и усилителях.

Механические и термические свойства

Оптические волокна чувствительны к изгибу, микротрещинам, деформации и внешним напряжениям. Минимальный радиус изгиба должен учитываться при проектировании линий связи. Упругие и вязкоупругие свойства определяются материалами защитных оболочек. Температурная стабильность кварцевых волокон высока, однако при экстремальных температурах возможно изменение параметров преломления и появления микротрещин.

Технологии изготовления

Процесс изготовления включает стадии:

Осаждение и формирование заготовки методом MCVD (modified chemical vapor deposition) или VAD (vapor axial deposition).
Протяжка волокна из заготовки при высокой температуре (до 2000 °C) с контролем диаметра, геометрии и коэффициента затухания.
Нанесение защитного покрытия сразу после протяжки.

Ключевыми параметрами контроля являются:

Диаметр сердцевины и оболочки (обычно 125 мкм — стандартная оболочка),
Допуски по округлости и соосности,
Коэффициент затухания (в дБ/км) на рабочих длинах волн (обычно 1310 нм, 1550 нм).

Классификация по международным стандартам

Международные стандарты (ITU-T, IEC) определяют параметры оптических волокон:

G.652 — стандартное одномодовое волокно,
G.655 — дисперсионно-смещённое волокно,
G.657 — волокна с улучшенной гибкостью и малым радиусом изгиба,
OM1–OM5 — категории многомодовых волокон с различными скоростями передачи и длинами волн.

Заключительные замечания по структуре волокон

Правильное понимание структуры оптических волокон критически важно для оптимального проектирования систем связи, разработки лазеров, сенсоров и фотонных устройств. Точное соотношение между геометрией, показателями преломления и распределением мод обеспечивает заданные характеристики передачи сигнала, устойчивость к внешним воздействиям и совместимость с современными телекоммуникационными протоколами.