7.1. Будова та принцип роботи волоконного хвилеводу

У загальному випадку волоконний хвилевід, або оптичне волокно (ОВ), складається із серцевини, по якій поширюється оптичне випромінювання, та оптичної оболонки, яка призначена, з одного боку, для покращення умов відбивання світла на границі “серцевина-оболонка”, а з другого – для зменшення випромінювання світлової енергії в оточуюче середовище. З метою покращення міцності та надійності волокна його покривають захисною оболонкою, яка може складатись з одного чи декількох шарів полімеру.

Рис.7.1. Загальна будова та поздовжній переріз оптичного волокна

Принцип роботи ОВ ґрунтується на явищі повного внутрішнього відбивання (ПВВ). Оптичне випромінювання передається по волокну через його серцевину. Для утримання випромінювання у серцевині волокна, її показник заломлення роблять більшим за показник заломлення оптичної оболонки (n1 > n2). В результаті, для світлових променів, які рухаються у серцевині волокна, буде існувати деякий критичний кут падіння на поверхню розділу серцевини з оболонкою, вище якого світлові промені будуть зазнавати ПВВ на цій поверхні розділу. Цей кут є граничним кутом ПВВ. Отже, якщо світлові хвилі падатимуть на поверхню розділу “серцевина-оболонка” під такими кутами, які перевищують граничний кут ПВВ, то вони будуть повністю відбиватись від цієї границі і будуть далі продовжувати поширюватися у серцевині. Таким чином, за рахунок багатократного відбивання від поверхні розділу “серцевина-оболонка” світлові промені зигзагоподібно поширюються вздовж серцевини волокна. Якщо ж умова ПВВ на поверхні розділу “серцевина-оболонка” для світлових променів, які рухаються у серцевині, виконуватись не буде, то ці промені будуть заломлюватись на цій поверхні розділу і будуть виходити із серцевини волокна.

7.2. Числова апертура оптичного волокна

Введення оптичного випромінювання у волокно здійснюється через торець оптичного волокна. На вхідному торці волокна світлові промені частково відбиваються і заломлюються. Заломлені промені можуть перетинати оптичну вісь волокна, в такому випадку їх називають меридіональними, і можуть її не перетинати, тоді їх називають косими. Якщо прийняти, що кути падіння променів на вхідну грань волокна змінюються в межах від 0 до π/2, то кути заломлення променів у серцевині будуть приймати значення:

β ≤ arcsin (n0 / n1)

де n0 – показник заломлення оточуючого середовища (як правило це повітря і, тому, n0 = 1), n1 – показник заломлення серцевини волокна. Частина меридіональних і косих променів, для яких буде виконуватись умова ПВВ на поверхні розділу “серцевина-оболонка”, будуть поширюватись вздовж волокна по зигзагоподібних траєкторіях. Інші промені, для яких не буде виконуватись умова ПВВ, будуть заломлюватись на границі “серцевина-оболонка” і випромінюватись в оточуюче середовище. Частина енергії цих хвиль буде відбиватись, однак очевидно, що після декількох таких відбивань ця частина енергія всередині серцевини волокна перетвориться в нуль. Отже, для ефективної передачі оптичного випромінювання по оптичному волокну необхідно, щоб кути поширення світлових променів у серцевині волокна були б такими, при яких би виконувалась умова ПВВ на границі “серцевина-оболонка” волокна. Інакше кажучи, кут падіння світлових хвиль на вхідний торець волокна не повинен перевищувати деяке максимальне значення. Спробуємо визначити цей кут.

Кут φm називається апертурою оптичного волокна. Апертура ОВ – це максимальний кут між оптичною віссю і світловим променем, який падає на вхідний торець волокна, при якому ще виконуються умови повного внутрішнього відбивання у серцевині. Апертура характеризує ефективність вводу оптичного випромінювання у волокно. Для її числової оцінки використовують поняття числової апертури (Numerical Aperture, NA), яка є безрозмірною величиною і визначається з виразу:

де Δ – відносна різниця показників заломлення серцевини і оптичної оболонки: