Принцип действия волоконных световодов

Основным элементом оптического кабеля является волоконный световод, выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, по которому осуществляется передача волн микронных длин, что соответствует диапазону частот 10¹⁴ - 10¹⁵ Гц. Волоконный световод, как правило, имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердечника и оболочки с разными оптическими характеристиками (п₁ и п₂).

Наиболее широкое применение : лучили волоконные световоды двух типов: ступенчатые и градиентные. У ступенчатых световодов показатель преломления в сердечнике постоянен и имеется резкий переход от п₁ сердечника к п₂ оболочки. Градиентные волокна имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердечнике по радиусу световода от центра к периферии.

В свою очередь ступенчатые световоды подразделяются на одномодовые и многомодовые. В одномодовых световодах диаметр сердечника соизмерим с длиной волны (d^?) и по нему передается лишь один тип волны (мода). В многомодовых световодах диаметр сердечника больше длины волны (d> ?) и по нему распространяется большое число волн. Практически сердечник световодов составляет —8 мкм у одномодовых и 50 мкм — многомодовых световодов. Диаметр оболочки 125 мкм. Снаружи располагается покрытие диаметром 600 мкм. Таким образом, существующие в настоящее время волоконные световоды южно классифицировать на три типа: одномодовые, многомодовые и градиентные (рис. 4.32).

Как видно из рисунка, ход лучей различных световодах различен. В ступенчатом многомодовом световоде лучи резко отражаются от границы сердечник — оболочка. Причем пути следования различных лучей

Рис. 4.32. Волоконные световоды: а) эпюра Показателя преломления; б) прохождение луча;

1 — одномодовые; 2 — многомодовые; 3 — градиентные

различны, и поэтому они приходят к концу линии со сдвигом по времени. Это приводит к искажению передаваемого сигнала (дисперсии).

Градиентные световоды также являются многомодовыми. Но здесь лучи распространяются по волнообразным траекториям. Причем лучи, находящиеся близко от оси световода, проходят меньший путь, но в области с большим показателем преломления, а периферийные лучи имеют большой путь, но в среде с меньшим показателем преломления. В результате скорость распространения различных лучей выравнивается и они приходят к концу линии практически в одно время. Вследствие этого искажения передаваемого сигнала в градиентных световодах меньше, чем в ступенчатых.

Для параболического распределения показателя преломления закон изменения п_г по радиусу определяется выражением

(4.56)

где г — текущий радиус; а — радиус сердечника; n_Q — показатель преломления в центре сердечника (примерно 1,5);

Сердечник служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки — создание лучших условий отражения на границе сердечник— оболочка и защита от излучения энергии в окружающее пространство.

Рассмотрим физические процессы, происходящие при распространении электромагнитных волн в волоконных световодах оптических кабелей.

В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводимостью и током проводимости (/_пр), ОК имеют совершенно другой механизм передачи, а именно диэлектрическую проводимость и токи смещения (/см) —

по аналогии с радиопередачей. Информация передается через диэлектрик (световод) в форме электромагнитной волны. Направление волны осуществляется за счет отражений от границы с разными значениями показателя преломления у сердечника и оболочки (п₁ и п₂) световода.

Передача по оптическим кабелям это, по существу, радиопередача, но здесь распространяется волна не во все стороны, а канализуется световодом в заданном направлении (рис. 4.33).

В обычных широко применяемых в настоящее время симметричных и коаксиальных кабелях передача осуществляется по двухпроводной схеме с применением прямого и обратного проводников цепи (рис. 4.34,а). В световодах, волноводах и других направляющих системах нет двух проводников и передача происходит волноводным методом по закону зигзагообразного отражения волны от границы раздела сред (рис. 4.34,6). Такой отраженной границей может быть металл — диэлектрик, диэлектрик — диэлектрик с различными диэлектрическими (оптическими) свойствами и др. На волноводном принципе действуют световод, волновод, линия поверхностной волны, диэлектрический волновод и другие конструкции направляющих систем (НС).

Граница раздела двухпроводных (двухсвязных) и волноводных (односвязных) направляющих систем характеризуется соотношением между длиной волны ? и поперечными мерами направляющей системы.d. ? >d требуется два провода: прямой и обратный и передача происходит по обычной двухпроводной схеме. ? <d не требуется двухпроводной системы и передача происходит за счет многократного зигзагообразного отражения волны от границ раздела сред с различными характеристиками.

Рис. 4.33. Процесс передачи по световоду

Рис. 4.34. Передача энергии по двухпроводным (а) и волноводным (б) системам

Поэтому передача по волноводным системам (световодам, волноводам и другим НС) возможна лишь в диапазоне СВЧ, когда длина волны меньше, чем поперечные размеры диаметр НС. Кроме того, при передаче по волоконным световодам должен соблюдаться режим полного внутреннего отражения волны на границе сердечник - оболочка световода.

Рассмотрим процесс распространения электромагнитной волны по двухслойному волоконному световоду (рис. 4.35). Здесь волна образует с поперечным сечением световода угол ? и многократно отражается от границы сердечник — оболочка под углом 2?. Между длиной волны ?, диаметром сердечника световода d и углом ? действует следующее соотношение:

cos ? = ?/ d

На рис. 4.35 показаны предел случаи распространения малых длин волн (?→0) (рис. 4.35,а) и волн, измеримых с диаметром световода (?→d) (рис. 4.35,6).

Рис. 4.35. Распространение электромагнитной волны в световоде для частот: а) очень высоких; б) менее высоких; в) критических

В первом случае { ?→0 и f→∞) угол ? →90°, отражений мало и волна стремится к прямолинейному движению вдоль световода. В этом случае передача по световоду проходит в выгодных условиях. Во втором случае (?→d и f→fo) угол ? →0^о, волна испытывает большое число отражений и поступательное движение ее весьма мало. В этом случае вдоль световода передается незначительная доля энергии.

При определенной длине волны (рис. 4.35, в) наступает такой режим, где ? = 0° и волна падает на оболочку световода и отражается перпендикулярно. В световоде устанавливает режим стоячей волны и энергия вдоль нее не перемещается. Это соответствует случаю критической длины волны ? ₀ = d и критической частоты fo = c/ ? ₀ = c/d.

Таким образом, в световоде могут распространяться лишь волны длиной, меньшей чем диаметр сердечника световода (? <d).

Однако в световоде, учитывая, что границей раздела сред сердечник — оболочка является прозрачное стекло, возможно не только отражение оптического луча, но и проникновение его в оболочку. Для предотвращения перехода энергии в оболочку и излучения в окружающее пространство необходимо соблюдать условие полного внутреннего отражения. Реализация этого условия применительно к двухслойному световоду показана на рис. 4.36.

а) б

Рис.4.36. Принцип действия волоконного световода: а) луч в пределах апертурного угла; б) луч выходит за апертурный угол

По законам геометрической оптики в общем виде на границе сердечник — оболочка будут падающая волна с углом ?_n, отраженная с углом ?₀ и преломленная волна с углом ?_пр. Известно, что при переходе из среды с большей плотностью в среду с меньшей плотностью, т. е. при n₁>n₂, волна при определенном угле падения полностью отражается и не переходит в другую среду— преломленный луч отсутствует (рис. 4.36, а). Угол падения ?_п, начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сред; т. е. при ?_п = ? _в, называется углом полного внутреннего отражения. Этот угол определяется из соотношения:

(4.57)

где ? и ? — соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемость сердечника (?₁, ?₁) и оболочки (?₂, ?₂). При ?_п ≥?_в энергия, поступившая в сердечник, полностью отражается и зигзагообразно распространяется по световоду {рис. 4.36, а). Чем больше угол падения волны, т. е. ф_п> ? _в в пределах от 0 до 90°, тем лучше условия распространения и быстрей волна придет к приемному концу. В этом случае вся энергия концентрируется в сердечнике световода и практически не излучается в окружающее пространство.

При угле, меньшем угла полного отражения, т. е. ?_п < ?_в, энергия проникает в оболочку, излучается в окружающее пространство, и передача по световоду неэффективна, так как имеется преломленный луч (рис. 4.36,6).

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец волоконного световода. Как видно из рис. 4.35, световод пропускает лишь свет, заключенный в пределах телесного угла 0_а, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения вв. Этот телесный угол ?_а характеризуется апертурой. Апертура — это угол между оптической осью и одн из образующих светового конуса, г падающего в торец волоконного cветовода, при котором выполняет условие полного внутреннего отражения.

Обычно пользуются понятием угловой апертуры

где п₀, п_1, п₂ — показатели преломления воздуха, сердечника, оболочки. Имея в виду, что для воздуха п_о =1

получим

NA = (4.5

Как видно из рис. 4.35, между углом полного внутреннего отражен ?_в и апертурным углом падения луча ?_а имеется взаимосвязь. Чем больше угол ?в, тем меньше апертура воле на ?_а.

Следует стремиться к тому, что) угол падения луча на границу сердечник — оболочка ?_п был больше угла полного внутреннего отражения ?_В находился в пределах от ?_В до 90, а угол ввода луча в торец световода укладывался в апертурный угол ?_а(?≤ ?_а)