Авторский вариант статьи, опубликованной в Энциклопедии для детей и юношества издательства "Аванта+" (том 16 "Физика", часть 2)

Почему поверхность воды в аквариуме прозрачна, если смотреть сверху, а при взгляде снизу блестит, как зеркало? За ответом на этот простой вопрос скрывается ни много ни мало, а революция в средствах связи.

Любой луч, идущий сверху вниз через границу "воздух-вода", частично отражается от нее, а частично преломляется в воду. А вот луч, идущий снизу, может вести себя по-другому. Скорость световой волны в воде меньше, чем в воздухе, в 3/4 раза. Из закона преломления следует, что синус угла преломления (в воздухе) в 4/3 раза больше, чем синус угла падения (в воде). Поэтому луч, угол падения которого равен 48.5° (sin 48.5° = 3/4), должен преломиться под углом 90° (sin 90° = 1) и пойти параллельно поверхности (его называют скользящим лучом). А для всех лучей, падающих под углом больше этого, преломленных лучей не найдется: ведь синус угла не может быть больше единицы. Поскольку нет преломления, то свет отразится полностью, как от зеркала! Это - полное внутреннее отражение.

Этому явлению можно придумать интересное применение. Посветив внутрь длинной прозрачной трубки с водой (или просто внутрь водяной струи), можно заставить часть лучей двигаться внутри нее, отражаясь от стенок. Свет будет пойман в трубку, даже если она изогнута, и его можно передавать без помощи разнообразных зеркал и линз. Такие устройства (наверное, по аналогии с водопроводом) называются световодами. Они получили широкое распространение; правда, удобнее делать их не из воды.

Структура световода

Обычные световоды, используемые сейчас в связи и компьютерных сетях, имеют многослойную структуру. Снаружи они закрыты несколькими слоями защитных покрытий, внутри которых - кварцевая сердцевина с высоким показателем преломления (n₀ = 1.465) и оболочка, тоже кварцевая, с более низким (n₁ = 1.460). Этой разницы достаточно, чтобы распространяющийся внутри свет испытывал полные внутренние отражения от стенок сердцевины и путешествовал на многие километры вдоль волокна. Свет будет проходить по такому световоду, даже если его изогнуть, завязать в узел или... проглотить: одно из первых практических применений для световодов нашлось в медицине. Эндоскоп, состоящий из лампочки и световодов, способен передавать изображения внутренних органов.

Медицинский эндоскоп фирмы Olympus (фото с сайта Градан+)	Стробоскопическая съемка голосовых связок с помощью эндоскопа (иллюстрация Experimental Phonetics Group, Institute for Natural Language Processing, Штутгартский университет)

Затухание излучения в оптоволокне. Источник: CITforum

Особенно широко световоды стали использоваться для связи после разработки компактных полупроводниковых лазеров, с середины 70-х годов XX века. Кварц, из нитей которого создают волокна, слабо поглощает свет определенных частот, лежащих в невидимом инфракрасном диапазоне, а полупроводниковые лазеры (иначе их называют лазерными диодами) - прекрасные источники именно таких волн. Лучшие образцы оптических волокон позволяют передавать излучение на расстояние 130 километров, при этом до "финиша" доходит 10% энергии света. В обычном оконном стекле такие потери будут наблюдаться уже через 2 метра...

Но главное преимущество оптических линий связи не в этом. По волокну можно передавать информацию с огромной скоростью - порядка 10¹² бит в секунду. Другими словами, один световод позволяет транслировать сразу миллион телепрограмм, или 10 миллионов телефонных разговоров, или передавать за одну секунду содержимое тысячи компакт-дисков! Сегодняшняя техника не исчерпывает и сотой доли возможностей оптической связи.

Кроме того, такой световод не требует металла (кварц можно переплавлять из песка), достаточно мал и легок. Его диаметр без защитной оболочки - 125 микрон, а масса одного километра волокна всего 25-40 граммов.

Типы световодов: а) одномодовый; б) многомодовый.

Оптические волокна могут быть двух видов: многомодовые и одномодовые. В многомодовом световоде диаметр сердцевины достаточно велик (50-80 мкм), в нем распространяется большое количество лучей (мод излучения). В одномодовом сердцевина сравнима по размеру с длиной волны излучения (8-10 мкм), дифракционные эффекты гораздо сильнее, и поэтому может распространяться только один луч (мода). В этом случае уменьшается затухание, но усложняется монтаж и использование линии связи, она обходится дороже.

Первые шаги оптоволоконная связь сделала в 1975 году, когда появились первые многомодовые лазерные диоды с излучением на длине волны 0.85 мкм. За семь последующих лет появились второе и третье поколение лазеров - одномодовые источники на 1.3 и 1.55 мкм, для которых поглощение света меньше. Более новые и более дорогие излучатели в итоге, как ни странно, помогли удешевить оптические информационные линии: дальность связи по одному волокну без дорогих и сложных оптических усилителей достигла 300 км.

Исследования продолжались, появилось новое поколение оптических линий связи - когерентные системы. В них информация передается при помощи модуляции частоты или фазы излучения. Это обеспечивает бОльшую дальность распространения сигналов по оптическому волокну - тысячи километров. Использование в таких системах специальных оптических волокон, содержащих эрбий (они могут в 10-15 раз усиливать световой сигнал), уже в начале XXI века позволит опутать весь земной шар "всемирной паутиной" (англ. worldwide web, WWW) - оптоволоконными сетями, высокоскоростными линиями компьютерной связи, надежно защищенными от прослушивания.

Оптоволоконные кабели