Распространение излучения в оптическом волокне

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………………...4

1 Волоконный  световод……………………………………………………………..5

2 Оптическое волокно……………………………………………………………….9

2.1 Типы оптического волокна…………………………………………………….11

2.2 Волокна  со смещенной и несмещенной  дисперсией………………………...14

3 Процесс распространения света в оптических волокнах………………………16

3.1 Лучевой подход………………………………………………………………...18

3.2 Электромагнитный подход…………………………………………………….23

Заключение…………………………………………………………………………26

Список использованных источников……………………………………………..27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Современные телекоммуникации трудно представить без волоконно-оптических линий связи. Ежегодно по всему миру прокладываются тысячи километров оптоволокна. Однако серьезную конкуренцию иным видам проводной связи оно составило относительно недавно.

Оптическое волокно представляет собой элемент, переносящий сигнал, подобный металлическому проводнику в проводе. Как правило, волокно используется в виде кабеля, то есть окружено защитной оболочкой, предохраняющей его от механических повреждений и воздействий окружающей среды.

Свет в стеклянной среде может переносить больше информации на большие расстояния, чем электрический сигнал в медной среде. Он также не подвержен электростатическим или электромагнитным явлениям.

Основным компонентом оптического волокна является волоконный световод. В различных световодах используется явление полного внутреннего отражения света. Условия распространения светового излучения в световодах настолько своеобразны, что возник специальный раздел, получивший название волоконной оптики.

Световое излучение в оптических волокнах можно рассматривать с помощью двух различных подходов: лучевого и электромагнитного.

Целью данной работы является изучение распространения излучения в оптическом волокне. Рассмотрим следующие вопросы:

1. Волоконный световод,
2. Устройство оптоволокна,
3. Типы оптоволокна,
4. Два подхода к объяснению процесса распространения света в оптических волокнах.

 

 

1 Волоконный  световод

 

Основным элементом оптического кабеля является волоконный световод (волновод). Это тонкое стеклянное волокно цилиндрической формы, по которому происходит передача электромагнитного излучения микронного диапазона волн, соответствующего частотам 1014-1015 Гц. Принцип действия волоконного световода основан на использовании процессов отражения и преломления оптической волны на границе раздела двух сред с различными оптическими свойствами, зависящими от показателя преломления n.

При падении луча на границу раздела двух сред в общем случае появляются преломленная и отраженная волны. Согласно закону Снеллиуса угол падения φп связан с углами отражения jотр и преломления jпр соотношением:

 

                                                 (1.1)

 

.                                       (1.2)

 

причем если , то из (1.1) и (1.2) следует, что (рисунок 1.1).

По мере увеличения угла падения со стороны оптически более плотной среды можно достичь состояния, когда преломленный луч будет скользить по границе раздела сред без перехода в оптически менее плотную среду (луч 2, рисунок 1.2).

Угол падения, при котором наблюдается такой эффект, называется предельным углом полного внутреннего отражения. Для всех углов падения, которые превышают предельный, будет иметь место только отражение. Это явления называется полным внутренним отражением, оно лежит в основе передачи оптического излучения по световоду.

Рисунок 1.1 – Падение световой волны на границу раздела двух сред при

 

Рисунок 1.2 – Прохождение лучей в волоконном световоде

 

Обычно волоконные световоды имеют круглое поперечное сечение и состоят из двух концентрических слоев оптически прозрачного диэлектрика. [1]

Рассмотрим случай волоконного световода с круглым сечением (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Обозначения, используемые при описании волоконных световодов. Декартовы координаты x, y,z и цилиндрические полярные координаты r, , z ориентированы так, что ось z направлена вдоль оси световода. Изображен градиентный профиль – переменный в сердцевине и постоянный в оболочке, которая считается неограниченной

 

Предполагается, что сердцевина с круглым сечением радиуса окружена оболочкой, которую для простоты будем считать неограниченной. Граница между сердцевиной и оболочкой представляет собой цилиндрическую поверхность . В пределах сердцевины осесимметричный профиль показателя преломления является либо постоянным, либо изменяется, а в оболочке он имеет постоянное значение .

Показатель преломления волоконного световода со ступенчатым профилем можно записать в виде:

 

                    (1.3)

 

Построим траекторию луча в сердцевине. Между точками отражений луч распространяется по прямой линии, а направление луча после отражения определяется законом Снеллиуса. Таким образом, падающий и отраженный лучи и нормаль в точке отражения лежат в одной плоскости, а углы падения и отражения (образуемые направлением луча с нормалью) равны между собой. В результате траектория луча приобретает вид, представленный на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Траектории лучей и их проекции на поперечное сечение в сердцевине волоконного световода со ступенчатым профилем: а – зигзагообразная траектория меридионального луча, б – спиралеобразная траектория косого луча

 

Проведем разграничение между лучами, пересекающими ось волокна между точками отражений и называемыми меридиональными, и лучами, никогда не пересекающими ось волокна, называемыми косыми лучами. Из рисунка 1.4 видно, что меридиональные лучи лежат  плоскости, проходящей через ось световода, в полосе шириной . Косые лучи распространяются по спиралеобразной траектории, проекция которой на поперечное сечение волокна представляет собой правильный многоугольник (в общем случае незамкнутый), как показано на рисунке 1.4, б. [2]

 

 

 

 

 

 

 

2 Оптическое волокно

 

Оптическое волокно состоит из сердцевины и отражающей оболочки, изготовленных из кварцевого стекла. Еще в процессе вытяжки на него наносится первичное защитное покрытие. В случае необходимости волокно с первичным покрытием помещается в защитную оболочку.

Оптическое волокно представляет собой нить из особо чистого кварцевого сигнала с очень низкими потерями. Конструкция оптического волокна представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Конструкция оптического волокна: 1 – сердечник, 2 – отражающая оболочка, 3 – защитный лак, 4 – защитное покрытие, 5 – вторичное защитное покрытие

 

С точки зрения передачи сигналов оптическое волокно представляет собой диэлектрический световод, работающий в оптическом диапазоне волн. Канализация распространения света создается путем скачкообразного или плавного изменения показателя преломления (диэлектрической проницаемости) кварцевого стекла в поперечном сечении световода. В оптическом диапазоне частот принято употреблять понятие показателя преломления (n) вместо диэлектрической проницаемости, которые количественно связаны между собой соотношением

 

,                                                   (2.1)

 

где - относительная диэлектрическая проницаемость.

Численное значение показателя преломления кварцевого стекла зависит от длины волны. Как световодная система оптического волокна состоит из сердцевины и отражающей оболочки.

Сердцевина – это область в центре волокна, показатель преломления которой больше, чем у оболочки, и в которой распространяется большая часть энергии светового сигнала.

Оболочка – это область волокна вокруг сердцевины, которая чаще всего изготавливается с постоянным и всегда более низким, чем у сердцевины, показателем преломления. Граница двух областей с более высоким и низким показателями преломления создает световодную структуру, удерживающую большую часть света в зоне сердцевины.

Наличие кварцевой оболочки имеющей показатель преломления чуть меньше (не более нескольких процентов), чем у сердцевины, приводит к трем последствиям, два из которых положительны:

1. Уменьшает потери световой энергии,
2. Уменьшает дисперсию (уменьшает уширение передаваемых импульсов),
3. Отрицательное последствие: уменьшает долю энергии, захватываемой сердцевиной от источника излучения.

Номенклатура и свойства оптических волокон определяются законом изменения показателя преломления в поперечном сечении сердцевины, величиной разности показателей преломления в центре сердцевины и оболочки, а также диаметром сердцевины и толщиной оболочки.

Для сохранения параметров передачи оптического волокна при их упаковке в кабель, а также в процессе прокладки и эксплуатации кабеля, оптические волокна необходимо защитить от механических воздействий. Для этого на оптическое волокно наносится первичное защитное покрытие, а также используются защитные оболочки.

Первичное покрытие обычно изготавливается двухслойным. Внутренний слой делается мягким для гашения механической нагрузки, действующей на волокно, и для облегчения снятия первичного покрытия. Наружный слой делается твердым для устойчивости к абразивным воздействиям. Показатель преломления материала первичного покрытия берется большим, чем у отражающей оболочки для поглощения в ней нежелательных световых волн, распространяющихся по отражающей оболочке.

Волокна с первичным покрытием непригодны для большинства применений без дополнительной защиты от механических воздействий. Это достигается за счет применения защитных оболочек и использования в конструкции кабеля специальных упрочняющих элементов. [3]

 

2.1 Типы оптических волокон

 

Оптические волокна классифицируют по двум параметрам:

1. Число распространяющихся мод.
2. Профиль распределения показателя преломления в поперечном сечении сердцевины.

По числу распространяющихся в оптическом волокне мод они подразделяются на одномодовые и многомодовые. Волокно с малым диаметром сердцевины, по которому в рабочем диапазоне длин волн может распространяться только одна фундаментальная мода, которая хотя и может иметь две поляризации, называется одномодовым. Волокно с большим диаметром сердцевины по сравнению с длиной волны распространяемого света, и в котором вследствие этого могут распространяться две или большее число мод, называется многомодовым.

При рассмотрении изменений показателя преломления n волоконного световода как функции радиуса используется термин профиль распределения показателя преломления. Он определяется радиальное изменение значений показателя преломления от оси волокна в сердцевине в направлении оболочки.

В настоящее время изготавливают следующие профили распределения показателя преломления в поперечном сечении сердцевины:

1. Ступенчатый (для многомодовых и одномодовых волокон).
2. Градиентный (для многомодовых волокон).
3. Сегментный и треугольный (для одномодовых волокон).

Рассмотрим ступенчатый профиль. При ступенчатом профиле показатель преломления одинаков по всему поперечному сечению сердцевины и при переходе от сердцевины к оболочке показатель преломления уменьшается ступенчато и остается неизменным в оболочке со значением (рисунок 2.2, а). Ступенчатый профиль могут иметь как одномодовые, так и многомодовые волокна.

 

Рисунок 2.2 – Профили оптических волокон: а – ступенчатый, б – ступенчатый с провалом в оболочке, в – градиентный, г – сегментный, д – треугольный

 

Одномодовые волокна со ступенчатым профилем изготавливаются также с так называемой оболочкой (рисунок 2.2, б), имеющей провал показателя преломления оболочки. Здесь и далее на рисунках профиля показываются изменения показателя преломления вдоль радиуса только в пределах сердцевины и отражающей оболочки волокна без указания значений показателя преломления вдоль радиуса только в пределах сердцевины и отражающей оболочки волокна без указания значений показателя преломления защитных оболочек. В настоящее время многомодовые волокна со ступенчатым профилем не изготавливаются.