7.3. Моди оптичного волокна

Напрямки поширення світлових хвиль у волокні, при яких проходить їх конструктивна інтерференція, називають модами оптичного волокна. В результаті інтерференції всіх світлових хвиль окремої моди формується сумарне інтерференційне поле, яке має характерну для даної моди структуру. Ця структура дозволяє представити моду як електромагнітну хвилю, яка має певний розподіл інтенсивності і поляризацію, які є незмінними в будь-якому перерізі оптичного волокна.

Коли розглядають моди волокна, то, як правило, розрізняють направлені, оболонкові (або витікаючі) та випромінювальні моди. Направлені моди – це такі моди, світлові хвилі яких поширюються по серцевині волокна за рахунок явища ПВВ і забезпечують передачу оптичного випромінювання по волокну. Витікаючі або оболонкові моди – це моди, світлові хвилі яких заломлюються на поверхні розділу “серцевина-оболонка”, однак на зовнішній поверхні оболонки вони зазнають ПВВ і, тому, поширюються у серцевині і в оболонці. Якщо при заломленні на поверхні розділу “серцевина-оболонка” світлові хвилі досягають зовнішньої границі оптичної оболонки і випромінюються в оточуюче середовище, то такі моди називають випромінювальними.

Направлені моди оптичного волокна поділяються на дві групи: симетричні, які мають тільки одну поздовжню складову електромагнітного поля (Е або Н), і несиметричні, які мають одночасно дві поздовжні складові електромагнітного поля (Е та Н). Якщо електромагнітне поле моди представити у циліндричній системі координат (r,θ,z) таким чином, що вісь z буде співпадати з віссю оптичного волокна, то у несиметричних мод поле буде залежати від азимутального кута θ, а у симетричних ця залежність буде відсутня. Якщо зв’язати електромагнітну теорію з променевою теорією, то симетричним модам відповідають меридіональні промені, а несиметричним – косі промені.

7.4. Критична частота і довжина хвилі відсічки

Зміна параметра V, тобто зміна співвідношення між структурними параметрами і довжиною хвилі, приводить до зміни числа направлених мод. Поява чи зникнення кожної нової моди проходить лише при строго визначених значеннях нормованої частоти V, які називаються критичними і позначаються Vmn (m = 0, 1, 2, …; n = 1, 2, 3, …). Кожна мода оптичного волокна має своє строго визначене значення критичної частоти Vmn, яка визначає границю появи чи зникнення цієї направленої моди. З точки зору геометричної оптики ця умова відповідає умові α = αгр для променів, які утворюють моду. При V > Vmn (α > αгр) промені зазнають ПВВ і поширюються вздовж серцевини, а при V < Vmn (α < αгр) промені заломлюються в оболонку і мода зникає.

У наступній таблиці приведені значення критичних частот Vmn для деяких симетричних і несиметричних направлених мод.

Очевидно, що основна мода утворюється світловими променями, які поширюються вздовж осі ОВ, оскільки характеристики поширення тільки осьового променя не залежать від умов відбивання на границі “серцевина-оболонка”. Всі інші направлені моди називаються вищими.

Залежно від кількості мод, які можуть поширюватись у волокні, розрізняють одномодові та багатомодові оптичні волокна. Для забезпечення одномодового режиму роботи ОВ, при якому у волокні поширюється тільки основна мода HЕ11, повинна виконуватись наступна умова: