1.8. Классы волн.

На уровне электромагнитного взаимодействия с молекулами учитывается явление электрической поляризации, пространственные электрические E и магнитные H поля. Они допускают колебания соответствующих векторов ( ) только в определённых плоскостях. Волноведущую систему можно представить идеальным цилиндром с продольной осью z, а оси x и y образуют поперечную (xy), горизонтальную (xz) и вертикальную (yz) плоскости. В этой системе выделяют 4 класса волн по признаку отсутствия либо наличия продольных составляющих E_z и H_z (рисунок 1.7).

а - поперечная; б – электрическая; в – магнитная; г - гибридная Рисунок 1.7 – Классы волн

1. Если E_z=0 и H_z≠0 направляемую волну называют поперечной электромагнитной волной или T-волной (T – первая буква transverses – поперечный). В поперечной электромагнитной волне векторы напряжённости электрического и магнитных полей лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. В диэлектрическом волноводе поперечная электромагнитная T-волна распространяться не может.

2. Если E_z≠0 и H_z=0 , то волна электрическая или E-волна. Электрическая волна – волна, вектор напряжённости электрического поля которой имеет поперечную и продольную составляющие, а вектор напряжённости магнитного поля лежит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения.

3. Если E_z=0 и H_z≠0 , то волна магнитная или H-волна. Магнитная волна –волна, вектор напряжённости магнитного поля которой имеет поперечную и продольную составляющие, а вектор напряжённости электрического поля лежит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения.

4. Если E_z≠0 и H_z≠ 0, то волна гибридная или смешанная, HE- или EH-волна. HE-волна представляет структуру поля, определяемую в основном составляющей H_z, направляемая волна ближе по структуре к H-волне. Если определяющая E_z, то волну обозначают как EH-волна. В гибридной волне векторы электрического и магнитного полей имеют отличные от нуля поперечные и продольные составляющие.

1.9. Типы волн. Пояснение к понятию «тип волны».

В теории применяется дополнительная классификация волн для конкретных линий передачи. Эта классификация учитывает изменения структуры поля в поперечных координатах. Она реализуется введением в обозначение типов волн индексов n и m (n, m = 0,1,2…). Иногда используется название не «тип волны», а "мода". Моды определяются решениями системы уравнений Максвелла. Уравнения Максвелла дают набор из n, m решений, т.е. различных типов волн (появляются целые индексы n для каждого целого m). Значит, можно показать, что по одному световоду может распространяться только определённый дискретный набор электромагнитных волн (мод). В результате формируется набор мод, перебор которых основан на использовании двойных индексов. Индекс n -азимутальные (угловые) свойства волн (число полных изменений поля по окружности), а m – радиальные (число полных изменений поля по диаметру) (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 – Пояснение к понятию «тип волны»

В ВС существуют два типа волн - HE_nm и EH_nm. При n=0 имеем симметричные моды E_0m и H_0m. При n≥1 имеем несимметричные (гибридные) моды HE_nm и EH_nm. Часть внеапертурных лучей распространяется в оболочке, соответствующие им моды называют оболочечными. Они нужны для улучшения характеристик световодов. Чем меньше диаметр сердцевины d_c, тем меньше сечение светового потока, поступающего в оптическое волокно, тем меньше мод, возникает в нём. В ОМ волоконном световоде есть только одна гибридная мода HE₁₁ - основная мода. В ММ волоконном световоде есть как гибридные моды, так и Е- и Н- моды. 1.10. Картины векторов поперечного электрического поля в поперечном сечении сердцевины ступенчатого волоконного световода для четырёх мод самых низких порядков.

Вдоль круглого неоднородного диэлектрического световода с осесимметричным распределением ε в сердцевине возможно распространение дискретного числа различных по структуре поля типов колебаний (мод):

а – мода самого низкого порядка; б – первый ряд мод более высоких порядков Рисунок 1.9 – Картины векторов поперечного электрического поля в поперечном сечении сердцевины ступенчатого волоконного световода для четырёх мод самых низких порядков