Физические процессы в волоконных световодах

Основной элемент оптического кабеля – волоконный световод в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы. Световод, как правило, имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n₁ и n₂.

Волоконные световоды или оптические волокна (ОВ) делятся на две группы: многомодовые и одномодовые. Первые, с свою очередь, подразделяются на ступенчатые и градиентные. У ступенчатых ОВ показатель преломления в сердцевине постоянен и имеет резкий переход от n₁ сердцевины к n₂ оболочки. Градиентные ОВ имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии (рис. 11.1).

Одномодовые и многомодовые ОВ различаются диаметром сердцевины. В одномодовом световоде d » l и по нему передается лишь один тип волны (мода). В многомодовом световоде d > l и по нему распространяется большое число волн. Сердцевина у одномодовых ОВ - 6…8 мкм, у многомодовых - 50 мкм, диаметр оболочки - 125 мкм. Снаружи располагается двухслойное полимерное покрытие диаметром до 500 мкм.

В ступенчатом многомодовом световоде луч резко отражается от границы сердцевина – оболочка. При этом пути следования различных лучей различны и поэтому они приходят к концу линии со сдвигом во времени. Это приводит к искажению передаваемого сигнала (дисперсии). В градиентных световодах лучи распространяются по волнообразным траекториям и искажаются меньше. В наилучших условиях – одномодовая передача, так как распространяется один луч.

В общем виде профиль показателя преломления (ППП):

где n₀ - max значение показателя преломления на оси волокна, а - радиус сердцевины, u - показатель степени, описывающий изменение ППП;

а) для градиентного световода u = 2, ;

б) для ступерчатого световода u = ¥, .

Передача волны по световоду осуществляется за счет многократных отражений от границы раздела сердцевины и оболочки с показателями преломления n₁ и n₂.

По законам геометрической оптики на границе раздела сердцевина – оболочка будут находиться падающая волна AB с углом j_п, отраженная BC с углом j_о и преломленная BD с углом j_пр (рис. 11.2). При переходе из оптически более плотной среды в менее плотную (при n₁ > n₂) волна при определенном угле падения полностью отражается от границы раздела сред. Угол j_п=q_в называется углом полного внутреннего отражения:

,

где m_r1, e_r1, m_r2, e_r2 - магнитные и диэлектрические проницаемости сердцевины и оболочки.

При критическом угле j_п = q_в волна распространяется вдоль границы раздела сердцевина – оболочка и не излучаются в окружающее пространство. При j_п > q_в волна полностью отражается и возвращается в исходную среду (сердцевину).

Таким образом, световод пропускает свет, заключенный в пределах телесного угла q_a, связанного с углом полного внутреннего отражения. Этот телесный угол характеризуется апертурой (рис. 2.3).

Апертура – угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения.

Обычно пользуются понятием числовой апертуры NA:

где n_о – показатель преломления воздуха, так как n_o = 1, то

.