Распространение излучения в оптическом волокне

 

В зависимости от размеров источника излучения и его положения относительно оси волокон могут распространяться два типа лучей: меридиональные, распространяющиеся в плоскостях и пересекающие ось световода, и косые, не пересекающие ось световода и распространяющиеся по ломаным право или левовинтовым спиральным линиям (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Распространение лучей не пересекающих ось световода

 

Косые лучи быстро рассеиваются на изгибах оптического волокна и поэтому их можно не учитывать.

Используя законы геометрической оптики, определим максимально возможный угол (рисунок 3.3), при котором свет из окружающей среды с показателем преломления может быть захваченным, т. е. будет распространяться вдоль оси световода. Этот угол принято называть входной угловой апертурой световода.

На практике более часто используется не численное значение угла , а значение синуса этого угла, называемое числовой апертурой. Это объясняется тем, что при лучевом подходе способность световода воспринимать световую энергию от источника излучения характеризуется числовой апертурой (NA), представляющей собой произведение показателя преломления среды , из которой луч падает на торец световода, на синус максимального угла падения лучей, который соответствует модам, распространяющимся по сердцевине.

Условие полного внутреннего отражения представляет условие падения на входной торец волоконного световода, при котором происходит захват лучей сердцевиной волокна. Для меридиональных лучей (рисунок 3.3), согласно соотношению (3.1), имеем:

 

.                                           (3.4)

 

Учитывая, что при угле падения лучей угол , а угол из равенства (3.4) имеем

 

.                            (3.5)

 

Если лучи падают из воздушной среды (), то

 

.                                            (3.6)

 

.                                  (3.7)

 

С увеличением разности между показателями преломления сердцевины и оболочки возрастает значение числовой апертуры NA, что улучшает эффективность ввода света от источника излучения в волокно. Однако волокна с большей числовой апертурой имеют и большую дисперсию, что является отрицательным фактором.

Из всех лучей, падающих на торец волокна в пределах апертуры, вдоль оси волокна будут распространяться лишь те, которые в результате многократных отражений от границ интерферируют в фазе. При электромагнитном подходе этим лучам соответствуют моды, которые в поперченном сечении волокна образуют стоячую волну (свет замкнут в сердцевине волокна). [6]

 

4.2 Электромагнитный  подход

 

Если рассматривать свет, как электромагнитную волну, то стоит говорить о нарушенном полном внутреннем отражении. Нарушенное полное внутреннее отражение - явление, основанное на проникновении световой волны из оптически более плотной среды (с показателем преломления n1) в менее плотную среду (с показателем преломления n2) на глубину порядка длины волны при полном внутреннем отражении. При условиях полного внутреннего отражения волна, падающая на границу раздела диэлектриков, приводит к появлению отраженной волны такой же амплитуды, но со сдвигом по фазе.

Также, при нарушенном полном внутреннем отражении вся энергия отражается в первую среду – в среду с большим показателем преломления n. Следовательно, энергия не уходит во вторую среду, если не считать ее проникновения на небольшие расстояния от границы. Падающая волна и соответствующая доля энергии проникает через границу раздела во вторую среду лишь на малую глубину, движется вдоль поверхности раздела и затем возвращается в первую среду. Места входа энергии во вторую среду и ее возвращения в первую несколько смещены друг относительно друга.

Необходимым условием распространения света в оптическом волокне в рамках лучевого подхода является требование падения лучей на торец оптического волокна в пределах входной угловой апертуры. Однако это условие не является достаточным, так как только часть из этих лучей будут распространяться вдоль оси световода. Электромагнитный подход позволяет точно рассчитать число мод (лучей), которые могут распространяться по световоду. Расчет подразумевает совместное решение волновых уравнений для сердцевины и оболочки оптического волокна с учетом граничных условий.

Для того, чтобы не делать расчет для каждого световода отдельно, а получить характеристики, присущие определенному типу световодов (например, для ступенчатого профиля), вводят понятие нормированной (характеристической) частоты. Нормированная частота является обобщенной характеристикой световода, поскольку зависит не только от геометрических и оптических характеристик световода, но и от длины волны источника излучения.

Для правильной эксплуатации волоконных световодов, а также нормирования разброса длин волн лазерных источников излучения, необходимо знать наименьшую эксплуатационную длину волны, называемую критической длиной волны волоконного световода, при которой может распространяться только одна фундаментальная мода. Один и тот же световод для длин волн, выше критической длины волны, работает в одномодовом режиме, а для длин волн ниже критической длины волны работает в многомодовом режиме.

Для оптического волокна со ступенчатым профилем нормированная частота равна

 

.                                         (3.8)

 

где - радиус сердцевины оптического волокна,

- рабочая длина волны,

- показатель преломления соответственно сердцевины и оболочки.

Число мод (N) при ступенчатом профиле показателя преломления приблизительно равно

 

.                                                 (3.9)

 

Из выражения (4.8) видно, что значение V может быть уменьшено за счет уменьшения диаметра сердцевины и разности показателей преломления и увеличения рабочей длины волны.

Когда нормированная частота при ступенчатом профиле световода меньше критического значения , волокно поддерживает распространение только одной фундаментальной моды. Волокно, в котором может распространяться только фундаментальная мода, называется одномодовым. Вследствие поляризации света фундаментальная мода может существовать в двух ортогональных поляризациях. Влияние поляризации необходимо учитывать при скорости передачи 2,5 Гбит/с и выше. [3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Основным компонентом оптического волокна является волоконный световод. Световое излучение в световоде распространяется согласно эффекту полного внутреннего отражения. В световоде возможны две траектории распространения лучей: траектория меридионального луча и траектория косого луча.

В данной работе были рассмотрены конструкция оптического волокна и его основные классификации: количество мод и профиль распространения показателя преломления. Также были рассмотрены такие типы оптических волокон, как волокна со смещенной и несмещенной нулевой дисперсией.

Из-за корпускулярно-волновой двойственности света в волоконной оптике есть два подхода к объяснению процесса распространения света в оптических волокнах:

1. Лучевой подход.
2. Электромагнитный подход.

При изучении электромагнитного подхода стоит обратиться к нарушенному полному внутреннему отражению.

В данной работе были рассмотрены следующие вопросы:

1. Распространение света в волоконном световоде.

2. Устройство оптического волокна, его основные типы, волокна со смещенной и несмещенной нулевой дисперсией.

4. Два  подхода к объяснению процесса  распространения света в оптических  волокнах.

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

1. Мидвинтер, Дж. Э. Волоконные световоды для передачи информации. – М.: Радио и связь, 1983. – 366 с.
2. Снайдер, А. Лав Дж. Теория оптических волноводов: Пер. с англ. – Радио и связь, 1987. – 656 с.
3. Виноградов, В. В. Волоконно-оптические линии связи/ В. К. Котов, В. Н.  Нуприк. – М.: ИПК «Желдориздат», 2002. – 278 с.
4. Стерлинг, Дональд Дж.. Техническое руководство по волоконной оптике. – М.: ЛОРИ, 1998. – 279 с.
5. Листвин, А. В. Оптические волокна для линий связи / А. В. Листвин, В. Н. Листвин, Д. В. Швырков. – М.: ЛЕСАРарт, 2003. – 288 с.
6. Урядов, В. Н. Конспект лекций «Компоненты волоконно-оптических систем передачи». – Минск, 2006.