0,4 0,8 1,2 1,4 1,8 Длина волны, мкм

Рис. 7.8. Ослабление света в стеклянном волокне

волны передаваемого излучения. Чем короче длина волны, тем выше рассеяние света.

Если посмотреть на график ослабления света в стеклянном волокне (рис. 7.8), построенный для различных длин волн, то на нем можно увидеть так называемое окно прозрачности, в котором ослабление сравнительно небольшое.

Следует сказать, что в технике связи ослабление измеряют обычно не в разах , а в специальных единицах - белах (в честь изобретателя телефона А.Г. Белла). Чтобы получить белы , нужно прологарифмировать разы . Эти единицы особенно удобны, когда речь идет об ослаблении в огромное число раз. Например, если ослабление в разах составляет миллион, то в белах - это всего 6 (Ig 1 ООО ООО = 6). Ослабление в 1000 раз соответствует 3 Б (Ig 1000 = 3). Дальше все понятно: 100 раз - это 2 Б, 10 раз - 1 Б. Перевод в белы величины 3 раза даст 0,5 Б, а величины 1,05 раза - 0,02 Б. Для практики бел - слишком крупная единица, поэтому чаще используют более мелкую - децибел (1 Б = 10 дБ подобно тому, как 1 м = 10 дм).

Таким образом, и завоевания в области прогрессивных стеклотех-нологий можно в полной мере оценивать децибелами (на сегодня ослабление света, или потери его интенсивности, в волокне составляет 0,2 дБ/км).

Однако взглянем еще раз на окно прозрачности . Оно охватывает длины волн, расположенные в диапазоне ближнего инфракрасного излучения (0,85...1,8 мкм), т.е. в области невидимого света. Правда, внутри окна для некоторых излучений (0,95; 1,24; 1,39 мкм) наблюдаются всплески ослабления. Это вызвано тем, что колебания света попадают в такт (в резонанс) с колебаниями ионов вредных гидроксильных групп ОН - непрозрачной компоненты стекла,

Рис. 7.9. Распространение света в стекловолокне

от которой, как правило, не удается избавиться даже при изготовлении сверхчистых стекол. Возникает резонансное поглощение света ионами этих групп.

Теперь становится понятным, почему в световодах предпочитают иметь дело с волнами невидимого света, за исключением, конечно, тех волн, которые сильно поглощаются.

Известно, что скорость света v в прозрачном веществе меньше скорости света с = 300 ООО км/с в вакууме. Отношение c/i/обозначили буквой п и назвали показателем преломления света в веществе. Но разве можно сломать световой луч? Оказывается можно. Опустите в стакан с водой ложку (рис. 7.9). На границе раздела между воздухом и водой ложка покажется вам сломанной. Это случилось потому, что на границе воздуха и воды световые лучи из-за разных скоростей распространения (в воде скорость в 1,33 раза меньше, чем в воздухе) преломились.

Итак, когда луч света попадает на границу раздела двух веществ с показателями преломления = c/i/, и Лг = c/i/g (у воздуха этот показатель равен 1), возникают отраженный луч (помните, угол падения равен углу отражения ?) и преломленный лучи. Первый, отражаясь от поверхности, остается в веществе, а вот второй выходит за его пределы. Для вещества - это потери, рассеяние света.

В оптике существует формула, по которой, зная показатели преломления п\ и Пг веществ и угол 6 падения (отражения) луча, можно найти, под каким углом бпр он преломляется:

sinGp = -sinG.

Конечно, при передаче света по волокну хотелось бы, чтобы свет только отражался от границы и не рассеивался за пределы вещества в виде преломленных лучей. Это начинает происходить с того момен-

та, когда угол Gpp достигает 90°: наступает полное отражение. Приведенная выше формула позволяет вычислить, под каким углом луч должен падать при этом на границу раздела веществ. Например, волокно из стекла с показателем ni = 1,46, помещенное в воздухе (Лг =1), будет полностью отражать те световые лучи, которые попадают на его боковую поверхность под углом G > 45°.

Не следует забывать, что свет вводят в торец волокна. Здесь картина иная: на боковую поверхность волокна будет падать луч, преломленный его торцом. И падать он должен так, чтобы полностью отражаться от боковой поверхности (см. рис. 7.9). Возникает вопрос: под каким же углом надо вводить луч в волокно? Оказывается, что в стеклянных волокнах, показатель преломления которых равен или больше 1,46, все световые лучи, попадающие на торец, направляются вдоль волокна и свет не рассеивается. К ним относятся и волокна из кварцевого стекла, показатель преломления которых как раз равен 1,46.

Однако, голые волокна в оптических кабелях не используются. И вот по какой причине. Для сохранения оптических свойств волокна в условиях эксплуатации необходимо защищать его поверхность от влаги и от истирания во время операций намотки и изготовления кабеля. Кроме того, голые стеклянные волокна при образовании на их поверхности микротрещин могут самопроизвольно обрываться; это связано с концентрацией механических напряжений на поверхности волокна. Поэтому стеклянную нить помещают внутрь защитного пластмассового покрытия. Чтобы не нарушить условия распространения световой волны в волокне (пластмасса это не воздух), его делают из двух слоев стекла: внутренний слой образует сердцевину волокна, а внешний слой является оболочкой. Показатель преломления оболочки делают ниже показателя преломления сердцевины, так что практически все световые лучи распространяются внутри сердцевины.

Сделать двухслойное волокно с различными показателями преломления не так уж сложно. Когда на затравочном стержне наращивают слой кварцевого стекла, в нужный момент (т.е. при получении его толщины, соответствующей сердцевине волокна) в газовую смесь, подаваемую в горелку, добавляют присадки, которые изменяют показатель преломления следующего слоя - оболочки. Таким путем можно получить и волокно, состоящее из нескольких слоев с различными показателями преломления.

Оптические волокна, у которых показатель преломления меняется скачком (ступенькой) при переходе от сердцевины к оболочке (или к оболочкам), назвали ступенчатыми.

Обычно показатели преломления сердцевины и оболочки различаются незначительно. Например, если показатель преломления сердцевины А?! = 1,465, то показатель преломления оболочки Пг = ,460. Рас-