§ 3. Градиентное волокно

Хотя лучи проходят в волокне разное расстояние, можно подобрать такую форму профиля показателя преломления (близкую к параболической), что все лучи будут запаздывать почти на одно и то же время. Волокна с таким профилем показателя преломления называются градиентными.

Траектории меридиональных лучей (лучей, проходящих через ось волокна) в градиентном волокне изображены на рис. 4.4. Лучи, соответствующие основной (первой) моде волокна, проходят кратчайшим путем, но с наименьшей скоростью, так как распространяются вблизи оси волокна, где показатель преломления сердцевины максимален. Лучи, соответствующие высшим модам, проходят по более длинным траекториям, но с большей скоростью, так как их траектории удалены дальше от оси волокна. В результате, несмотря на разную длину траекторий, лучи проходят их за одинаковое время.

Рис. 4.4. Траектории меридиональных лучей в градиентном волокне. Числовая апертура NA = sin α

§ 4. Дифференциальная модовая задержка

Как известно, светодиоды являются наиболее надежными и дешевыми полупроводниковыми источниками излучения. Однако светодиоды являются многомодовыми источниками излучения, и для передачи их излучения необходимо использовать многомодовые волокна. В основном по этой причине, а также из-за большей надежности соединений в таких волокнах они сохранились в локальных вычислительных сетях (несмотря на то, что стоимость многомодовых волокон больше, чем у одномодовых).

Однако светодиоды из-за их невысокого быстродействия (~ 200 МГц) не пригодны для использования в качестве передатчиков в стандарте Gigabit Ethernet. Поэтому в этом стандарте было регламентировано использование совместно с многомодовым волокном лазерных источников излучения. В частности - плоскостных полупроводниковых лазеров с вертикальным резонатором VCSEL (Vertial Cavity Surface Emitting Laser), работающих в диапазоне 850 мкм. Лазеры с такой структурой в последнее время интенсивно производятся, и по своей стоимости они приближаются к стоимости светодиодов.

Казалось бы, при согласовании лазера с многомодовым волокном не должно возникать особых проблем - свет от лазера должен, практически полностью, вводиться в многомодовое волокно, возбуждая в нем несколько низших мод. Однако типовые многомодовые волокна обладают небольшим технологическим дефектом в виде провала в середине профиля показателя преломления (рис. 4.5). Возникаеот этот провал из-за частичного испарения примеси GeO₂ в процессе схлопывания заготовки для волокна.

Рис. 4.5. Профиль показателя преломления градиентного волокна. Провал в середине профиля возникает из-за частичного испарения примеси GeO₂ в процессе схлопывания заготовки для волокна

Наличие провала в середине приводит к тому, что в волокне возбуждаются одновременно моды и наиболее низкого, и наиболее высокого порядка. Так как эти группы мод распространяются с разными скоростями, то возникает так называемый эффект дифференциальной модовой задержки, приводящий к расщеплению импульсов.

Устранить это расщепление импульсов можно, сместив на 10-20 мкм место ввода излучения от оси волокна. Это смещение осуществляется с помощью специальных шнуров МСР (Mode Conduction Patchcord) при работе с волокнами старых типов. Волокна нового типа (без провала в середине профиля показателя преломления), такие, как Inf iniCore CL компании Corning, соединяются с лазером непосредственно без использования шнуров МСР.

В линиях связи с лазерными источниками излучения естественно использовать и одномодовое волокно, тем более что стоит оно дешевле. Однако из-за меньшей стоимости оконечной аппаратуры и монтажа линии с многомодовыми волокнами ценовое преимущество одномодового волокна начинает сказываться только при длинах линии больше 1.5 км (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Зависимость стоимости ВОЛС ЛВС Fast Ethernet от длины тракта с многомодовыми и одномодовыми волокнами