Теория волоконно-оптической передачи Введение

В данной главе будет рассматриваться теория передачи информации по оптическим волокнам. Она детально освещает все теоретические аспекты волоконно-оптической передачи. Глава начинается с изложения фундаментальных концепций распространения света, затем переходит к более сложным проблемам распространения света в оптических волокнах.

Рассматриваемые вопросы включают фундаментальные принципы и основы математического представления распространения света по стеклянному волокну, моды распространения света, устройство волокна, возможности и ограничения волоконно-оптической передачи, процессы изготовления волокна и перспективы развития.

Фундаментальные принципы действия Введение

Фундаментальным принципом, лежащим в основе связи посредством оптических волокон, является прохождение электромагнитной энергии по стеклянной трубке, как по туннелю от передатчика к приемнику. Стеклянная трубка действует подобно трубопроводу, передающему всю электромагнитную энергию из одной точки в другую. Электромагнитная энергия, использующаяся в этой системе передачи, располагается в зоне электромагнитного спектра, близкой к диапазону видимого света. Поэтому стекло является идеальной средой для передачи этой электромагнитной энергии, ибо свет проходит сквозь стекло с низким уровнем ослабления.

Рис. Иллюстрация электромагнитной энергии, проходящей через стеклянный канал

Отражение, преломление и дифракция

Далее приводится краткий обзор некоторых фундаментальных физических принципов. Отражение, преломление и дифракция являются тремя главными явлениями, вызывающими изменение распространения электромагнитной волны (включая световое, радио-, рентгеновское, гамма-излучения и др.). Мы сосредоточимся на особенностях светового излучения.

Отражение

В этом случае луч света, проходящий сквозь среду с определенной плотностью, сталкивается со средой с плотностью, отличной от плотности среды, в которой он распространялся, и частично или полностью отражается от границы двух сред.

Преломление

В этом случае луч света полностью или частично проникает в среду с плотностью, отличной от плотности среды, в которой он до этого двигался, и незначительно изменяет свое направление по сравнению с направлением распространения в предыдущей среде. Небольшая часть энергии также отражается, как показано на рис. 3.3.

Дифракция

В этом случае луч света преодолевает препятствие и незначительно изменяет направление распространения в направлении препятствия. Сходное явление наблюдается, когда водная рябь сталкивается с торчащим выступом скалы или земли и, огибая его, незначительно меняет направление распространения в его сторону.

Рис. Иллюстрация отражения

Рис. 3.3. Иллюстрация преломления

Рис. Иллюстрация дифракции

Показатель преломления

Свет по своей природе распространяется в различных средах с различными скоростями. Чем плотнее среда, тем ниже скорость распространения в ней света. Была установлена соответствующая мера, имеющая отношение как к плотности материала, так и к скорости распространения света в этом материале. Эту меру назвали показателем преломления. Для любого материала показатель преломления измеряется относительно скорости распространения света в вакууме (вакуум часто называют свободным пространством). Следующая формула описывает это отношение.

Чем выше показатель преломления материала, тем он плотнее. Когда луч света проникает из одного материала в другой (с другим показателем преломления), угол преломления будет отличаться от угла падения. Луч света, проникающий в среду с меньшим показателем преломления, будет выходить с углом, большим угла падения. Луч света, проникающий в среду с большим показателем преломления, будет выходить с углом, меньшим угла падения. Это показано на рис. 3.5.

Рис. Луч, проходящий из среды с высоким N₁ в среду с низким N₂

Рис. Луч, проходящий из среды с низким N₁ в среду с высоким N₂

В данном случае θ₁ является углом падения, а θ₂ - углом преломления. Ниже пеоечислены некоторые типичные показатели преломления.

Вакуум	1,0000
Воздух	1,0002
Вода	1,333
Расплавленный кварц	1,452
Оптическое стекло (кронглас)	1,517
Плотный флинтглас	1,655
Алмаз	2,421
Этиловый спирт	1,360
Силоксан	1,405

Любопытно отметить, что для рентгеновских лучей показатель преломления стекла всегда меньше, чем для воздуха, поэтому они при прохождении из воздуха в стекло отклоняют в сторону от перпендикуляра, а не к перпендикуляру, как световые лучи.