1.4.2 Световые лучеводы

Световые лучеводы можно разделить на три типа, показанные на рисунке 1.11. На рисунке 1.11, а показана общая структура лучевода: 1 — источник; 2 — коллиматор; 3 — фа­зовые корректоры (на рисунке 1.11, б — диафрагменные лучеводы; на 1.11, в — линзовые лучеводы; на 1.11, г — зеркальные лучеводы). Прин­цип работы всех этих лучеводов почти одинаков, поэтому доста­точно рассмотреть линзовый лучевод, который исследован лучше других. Линзы производят преобразование фазы пучка лучей, кор­ректируя форму фазового фронта. Эта функция выполняется и диа­фрагмами (1.11, б) и соответствующими зеркалами (1.11, г).

Рисунок 1.11 – Основные типы лучеводов

В лучеводной системе может распространяться большое число различных волновых пучков мод, каждый из которых характери­зуется своей структурой распределения поля в поперечном сечении пучка.

Потери в лучеводах значительно меньше, чем в световодах. При применении фазовых корректоров лучеводы могут использо­ваться во всем диапазоне от видимого света до миллиметровых волн. Но в миллиметровом диапазоне они применяются ограниче­но, так как для достижения малых дифракционных потерь в этом случае требуются большие апертуры и малые расстояния между корректорами. Наименьший диаметр апертуры линз приблизитель­но равен среднему геометрическому от длины волны и расстояния между корректорами.

Дифракционные потери составляют только часть полных по­терь энергии при передаче сигнала. Не говоря о потерях возбуж­дения, сигнал в линии затухает также из-за потерь на отражение от поверхности линз и поглощение в материале линз. Потери на отражение могут быть значительно снижены просветлением линз, хотя это и увеличивает стоимость линии и сужает полосу переда­ваемых частот. Обычно потери на отражение и поглощение состав­ляют большую часть потерь. Увеличивая расстояния между лин­зами, можно потери уменьшить, но тогда нужно применять линзы большого диаметра для того, чтобы снизить возрастающие при этом дифракционные потери.

Необходимость использования линз и зеркал больших разме­ров значительно усложняет устройство оптических лучеводов и увеличивает их стоимость.

Предлагается более совершенный способ ориентации луча, по которому используется совокупность пар отражателей, имеющих цилиндрическую поверхность. В каждой паре отра­жатели расположены по отношению друг к другу таким образом, чтобы их фокальные плоскости были взаимно ортогональными. Каждая пара отражателей представляет собой длиннофокусную линзу, причем расстояние между соседними парами приблизитель­но равно сумме их фокусных расстояний. Угол поворота светового луча каждой парой отражателей определяется ориентацией дан­ной пары по отношению к некоторой плоскости. Такая система ха­рактеризуется весьма малыми потерями, широкополосностью и про­стотой конструкции.

1.4.3 Волоконные волноводы

Волоконный волновод явля­ется вариантом диэлектрического стержневого волновода.

В волноводах большого диаметра (10+100 мк) условия рас­пространения волн аналогичны условиям в отражающей трубе, за исключением того, что волокно может быть изогнуто на небольшой угол без существенного увеличения потерь. Распространение волн идет почти целиком внутри волокна, и затухание передаваемого сигнала определяется потерями в диэлектрике волокна. Такие многомодовые волоконные волноводы используются уже давно, но в связи со сравнительно большими потерями их применение огра­ничивается только короткими трактами передачи.

В волноводах малого диаметра (менее 0,1 мк) большая часть энергии идет снаружи волокна в виде поверхностной волны. В свя­зи с этим затухание волн невелико. Потери в этих одномодовых волноводах могли бы быть меньше 10 дб/км, но здесь возникают трудности их закрепления на большом протяжении. Малая вели­чина потерь может быть реализована только в том случае, если по­верхность волокна не имеет изъянов и точек соприкосновения с другими предметами. Для получения хорошего состояния поверх­ности стекло полируют па пламени. Волокно крепится методом плакировки, т. е. нанесением поверхности слоя, причем коэффи­циент преломления этого слоя должен быть меньше, чем самого волокна. Поверхностная волна, распространяясь в таком плаки­рующем, слое (толщиной в десятые доли микрона), уже не возмущается поддерживающими линию деталями.