1.5. Типы волокна.

Оптическое волокно – это сочетание стеклянного волокна с защитным покрытием, являющимся конструктивным элементом.

Термины «оптическое волокно» и «волоконный световод» - синонимы.

Волокно, в котором распространяется несколько мод, называется многомодовым (ММ), а в котором одна мода - одномодовым (ОМ). В ММ волокне диаметр сердцевины больше длины волны (d_c>>λ), а в ОМ - соизмерим с длиной волны (d_c≈λ). Международный стандарт средств связи установил диаметр оболочки (d_об) волокна равным 125 мкм. Оболочка изготавливается из кварцевого стекла (SiO₂) с n₂=1,45, а сердцевина – из кварцевого стекла с добавками GeO₂ или P₂O₅. Для промышленно выпускаемых световодов ОМ волокно имеет диаметр сердцевины 7–10мкм, а ММ волокно – 50–65,5мкм. Три основных типа волокон: ступенчатое ММ, градиентное ММ и ступенчатое ОМ волокно (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Поперечное сечение и ППП ступенчатого многомодового (а), градиентного многомодового (б) и ступенчатого одномодового (в) волокна

1.6. Лучевой принцип распространения электромагнитной энергии по ступенчатому мм, градиентному мм и ступенчатому ом волокну.

Рисунок 1.5 – Лучевой принцип распространения электромагнитной энергии по ступенчатому многомодовому (а), градиентному многомодовому (б) и ступенчатому одномодовому (в) волокну

Лучи света входят в сердцевину волокна с торца и удерживаются за счёт полного внутреннего отражения внутри сердцевины (рисунок 1.5,а), или изгибаются в направлении градиента показателя преломления (рисунок 1.5, б).

1.7. Ход лучей в волоконном световоде со ступенчатым профилем показателя преломления.

Рисунок 1.6 – Ход лучей в волоконном световоде со ступенчатым профилем показателя преломления

1. Относительная разность показателей преломления. n₁ и n₂ - показатели преломления сердцевины и оболочки. Тогда относительная разность показателей преломления: Δ=(n₁-n₂)/n₁ .

2. Критический угол падения. Распространение света по световоду объясняется на основе закона полного внутреннего отражения, вытекающего из закона преломления света: n₁sinθ₁=n₂sinθ₂, где n₁ – показатель преломления среды 1, θ₁ – угол падения, n₂ – показатель преломления среды 2, θ₂– угол преломления. Отсюда следует 3 случая:

а. Так как сердцевина является оптически более плотной средой по отношению к оболочке (n₁>n₂), то существует критический угол падения θ₁=θ_kp – внутренний угол падения на границу, при котором преломлённый луч (луч1) идёт вдоль границы сред (θ₂=90^o).

б. Если угол падения на границу раздела меньше критического угла падения θ₁<θ_kp, то при каждом внутреннем отражении часть энергии выходит наружу в виде преломлённого луча, что приводит к затуханию света (луч 2).

в. Если угол падения больше критического угла θ₁>θ_kp, то при каждом отражении от границы вся энергия возвращается обратно в сердцевину благодаря полному внутреннему отражению (луч 3).

3. Числовая апертура. На рисунке видно, что световод удерживает лишь свет, заключённый в пределах телесного угла θ_A, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения θ_kp. При угле падения, равном критическому ( θ₁=θ_kp): n₀sinθ_A=n₁sin(90^o-θ_kp)=n₁cosθ_kp, где n₀ – показатель преломления вакуума.

Воспользуемся выражением n₁sinθ_kp=n₂ и выразим sinθ_A через показатель преломления сердцевины и оболочки, полагая n₀=1: n₁sinθ_kp=n₂, cos²θ_kp=1-sin²θ_kp=(n₁²-n₂²)/n₁², sinθ_A=n₁cosθ_kp=√(n₁²-n₂²).

Чем больше угол θ_A , тем большая часть падающего на торец световода света может быть введена в световод и будет в нём распространяться за счёт полного внутреннего отражения. Величину NA=sinθ_A (n₀=1) называют числовой апертурой световода, являющуюся характеристикой предельного угла θ, при которой входящие в ВС лучи испытывают полное внутренне отражение и сохраняют возможность распространяться по сердцевине волокна. NA - безразмерна.

4. Нормированная частота. Целесообразно ввести нормированную частоту ν, которая объединяет структурные параметры ВС и длину волны излучения:

ν=π dcNA/λ,

(1.9)

где d_c – диаметр сердцевины ВС, λ – длина волны излучения, NA – числовая апертура ВС.