1 Оптичні волокна

1.1 Принципи передачі сигналів по оптичному волокну

Передача сигналів по оптичному волокну заснована на явищі відбиття-заломлення оптичної хвилі на межі розділу двох середовищ з різними показниками коефіцієнтами заломлення.

Як показано на рис. 1.1а, при падінні світлового променя на межу розділу двох середовищ з коефіцієнтами заломлення n₁ та n₂ в загальному випадку відбувається відбиття та заломлення світла. Якщо світлова хвиля виходить з середовища з більшою оптичною густиною і попадає в середовище з меншою оптичною густиною, тобто n₁  n₂, то на межі розподілу цих середовищ падаючий промінь частково відбивається від межі розподілу, а частково потрапляє в середу з меншою оптичною густиною, заломлюючись при цьому, тобто змінюючи кут розповсюдження.

а) б) в)

1 – падаюча хвиля, 2 – відбита хвиля, 3 – заломлена хвиля

Рисунок 1.1- Відбиття та заломлення світлових хвиль

Згідно закону Снелліуса, кут падіння _п, кут відбиття _відб та кут заломлення _залом зв’язані слідуючими співвідношеннями:

(1.1)

(1.2)

По мірі збільшення кута падіння кут заломлення збільшується і при виконанні умови

(1.3)

кут заломлення буде дорівнювати 90⁰ і заломлений промінь буде ковзати по межі розподілу середовищ (рис.2.1,б). Кут падіння, при якому виникає це явище носить назву граничного кута повного внутрішнього відбиття _{пад.гран.}. Цей кут визначається із співвідношення

. (1.4)

Для всіх кутів падіння, які перевищують граничний кут повного внутрішнього відбиття буде мати місце тільки відбиття світлового променя (рис.1.1,в). Це явище носить назву повного внутрішнього відбиття.

Оптичне волокно (ОВ) в загальному виді являє собою шарувату структуру, круглу в поперечному перетині (рис.1.2).

Рисунок 1.2 - Конструкція оптичного волокна

Серцевина – елемент оптичного волокна по якому безпосередньо розповсюджується світлова хвиля. Серцевина виготовляється з кварцового скла, найчастіше модифікованого різними хімічними елементами, або з пластику. Серцевина має коефіцієнт заломлення n₁.

Оболонка – елемент призначений для створення умов повного внутрішнього відбиття та зниження випромінювання енергії в зовнішнє середовище. Оболонка часто формується з того ж матеріалу, що і серцевина шляхом додаткової модифікації тими чи іншими хімічними елементами, призначеними для створення необхідного коефіцієнту заломлення n₂ і витримання умови n₁ > n₂.

Зовнішня оболонка – виготовляється з пластику, призначена для захисту ОВ від зовнішніх пошкоджуючих впливів та для підвищення первинної міцності всієї конструкції. Зовнішня оболонка може включати в себе гідрофобне покриття. Зовнішня оболонка завжди видаляється при з’єднанні ОВ.

Оптичні волокна разом з іншими елементами об’єднуються в оптичний кабель (ОК) . В залежності від типу та конструкції ОК можуть бути деякі відхилення від побудови ОВ, які не мають принципового значення.

Розмір ОВ визначається зовнішніми діаметрами складових частин його конструкції. Наприклад: 50/125/250 – характеристика ОВ з діаметром серцевини 50 мкм, діаметром оболонки 125мкм та діаметром зовнішньої оболонки 250 мкм.

Випромінювання зовнішнього джерела, яке падає на вхідний торець ОВ збуджує в ньому декілька типів хвиль, які називаються модами.

На рис.1.3 показано розповсюдження світлової хвилі по ОВ при припущенні, що коефіцієнт зламу матеріалу серцевини є незмінним по її діаметру. Для спрощення зовнішня оболонка не розглядається.

Рисунок 1.3 - Розповсюдження світла в оптичному волокні

Світлові хвилі 1 та 2 які падають на торець ОВ в межах кута _А повністю відбиваються від межі розподілу серцевини і оболонки і забезпечують передавання інформації по світловоду. Ці хвилі утворюють направляємі моди, а кут _А, в межах якого відбувається повне відбиття хвилі на межі серцевини і оболонки має назву апертурного кута. Апертурний кут визначається експериментально і зазначається для кожного типа ОВ різних фірм.

Світлові хвилі які падають під кутом , що перевищує апертурний кут наприклад хвиля 3, частково проникають в оболонку і створюють витікаєму моду 4. В залежності від значення кутата від співвідношення коефіцієнтів заломлення оболонки та зовнішньої оболонки, можуть утворюватись випромінювані моди 5. Поява витікаємих та випромінюваних мод приводять до втрат або викривленню передаваємої інформації.