Лекція 3. Фокон як один з елементів волоконно-оптичних ліній зв'язку

Як оптичний елемент, фокон має важливе значення. Він може бути застосований для узгодження джерела випромінювання й світловода, світловода й фотоприймача, з'єднання світловодів різних діаметрів між собою й в інших функціональних елементах ВОЛЗ.

Основними геометричними характеристиками фоконів є :

• числова апертура;

• кут при вершині утворюючого конуса;

• коефіцієнт концентрації енергії.

Конструктивно фокон може бути трьох типів:

• порожній металевий конус;

• скляний конус без оболонки;

• скляний конус із покриттям.

На рис. 3.1. показаний хід променів у пустотілому металевому фоконі.

Рис.3.1. Хід променів у пустотілому металевому фоконі

Для визначення числової апертури металевого фокона можна скористатися наступною побудовою (див. рис. 3.2).

Рис.3.2. До визначення числової апертури металевого фокона

Побудова на рисунку показує розгортку фокона при кожному новому відбитті. Якщо промінь залишається усередині розгортки, то він не вийде за межі фокона.

Для спрощеного визначення числової апертури можна скористатися побудовою, показаною на рисунку 3.3. Для цього необхідно побудувати коло з центром у вершині фокона радіусом . Кут нахилу прямої, що проходить через центр вхідного торця фокона, і дотичній до побудованого кола обумовлює апертуру фокона.

Рис.3.3. До спрощеного визначення числової апертури металевого фокона

Синус апертурного кута, як витікає з побудови (рис. 3.3), дорівнює:

(3.1)

і - діаметри торців на вході й виході фокона відповідно;

d_c– довжина фокона.

Для фокона дотримується умова синусів:

(3.2)

і – показники заломлення на вході й виході фокона.

З (3.2) при , отримаємо:

(3.3)

На рис. 3.4 показаний хід променів у скляному фоконі.

Рис.3.4. Хід променів у скляному фоконі

Для визначення числової апертури скляного фокона користуються побудовою, показаною на рисунку 3.5.

Рис.3.5. До визначення числової апертури скляного фокона

ПВВ при - ному відбитті буде мати місце при:

(3.4)

– кількість (номер) відбиттів;

– кут при вершині фокона;

– критичний кут падіння на межу осердя – покриття, рівний:

(3.5)

Для променя, що виходить з другого торця фокона, кут падіння на торцеву поверхню повинен бути менше критичного, рівного:

(3.6)

– критичний кут падіння на межу вихідний торець – навколишнє середовище, рівний:

(3.7)

– показник заломлення середовища за вихідним торцем фокона.

Можна визначити кут при вершині конічного фокона, при якому промінь виходить за межі фокона:

(3.8)

Наведене співвідношення дозволяє визначити числову апертуру скляного фокона:

(3.9)

і – показники заломлення осердя і покриття фокона.

Скляний фокон без оболонки має числову апертуру:

(3.10)

– показник заломлення матеріалу фокона.

Коефіцієнт концентрації енергії фоконом, дорівнює:

(3.11)

Кількість відбиттів, що зазнає довільний промінь, що розповсюджується у фоконі, визначається зі співвідношення:

(3.12)

і – апертури променів на вході й виході фокона.

Довжина шляху промені усередині фокона дорівнює:

(3.13)

– довжинафокона

і – апертури променів на вході й виході фокона.

– кут заломлення для кута