Вопрос 16. Световоды. Плоские, волоконные. Типы волокон. Режим полного внутреннего отражения в световодах.

Типы ОВ.

Конструкция ОВ

1-сердцевина ОВ из кварцевого стекла с показатателем преломления n₁=1.5 и диаметром d₁=10(50;62,5)мкм

2-оболочка ОВ из кварцевого стекла с показателем преломления n₂<n₁ и d₂=125мкм

3-полимерное защитное покрытие с d₃=250-500мкм обеспечивает достаточную прочность ОВ и его защиту от внешних воздействий

4-световой луч. Распространяется по сердцевине ОВ путем многократных отражений от границы сердцевина-оболочка.

Классификация:

-в зависимости от соотношения диаметра сердцевины ОВ d₁ и длины волны . ОВ подразделяются на :

1) многомодовые ОВ (ММ)-у которых d₁>>. В сердцевине такого ОВ возбуждается и распространяется большое количество световых лучей(мод)

2)одномодовое ОВ(ОМ)- у которого диаметр сердцевины соизмерим с . В сердцевине такого ОВ распространяется только одна световая мода.

-по профилю показателя преломления сердцевины ОВ ММ подразделяются на:1)ступенчатое ММ (СММ) у которого показатель преломления сердцевины n₁=const на протяжении всего d₁. В ступенчатом волокне все моды распространяются с одинаковой скоростью, но преодолев пути разной длины (распр по разной траектории) к концу волокна приходят в разное время. Это обуславл искажения передаваемого сигнала.

2)градиентное ОВ (ГММ) у которого показатель преломления сердцевины изменяется по параболическому закону от значения n₁ в центре до значения n₂ на границе с оболочкой. Переферийные моды(2) преодолевают пути большей длины, но и распространяются с более высокой средней скоростью чем центральные моды(1). Поэтому к концу ОВ все моды придут примерно в одно время => в градиентном ОВ передаваемые сигналы искажаются в меньшей степени, чем в ступенчатом.

Режим полного внутреннего отражения в световодах.

При падении светового луча на границу сердцевина – оболочка происходит его преломление в оболочку и отражение. Между углами _n, _отр, _пр существуют соотношения:

1)_отр=_n

2)теорема Снеллиуса

где n₁ – показатель преломления среды 1, Θ₁ - угол падения

где n₂ – показатель преломления среды 2, Θ₂ - угол преломления

Преломление светового луча в оболочку не допустимо т.к. это в конечном итоге приведет к полному рассеиванию света из серцевины в окружающее пространство. Из теоремы

Если обеспечить n₂<n₁ то _пр>_п , это значит что существует такое значение _п =_в< при котором _пр = т.е. приломление луча будет направлено вдоль границы сердцевины и оболочки. Угол падения _п =_в при котором преломленный луч направлен вдоль границы сердцевина-оболочка – угол полного внутреннего отражения. Условие эффективной передачи светового луча по сердцевине световода является _п >_в - это режим полного внутреннего отражения. Режим _п =_в называется крайним или критическим

Когда свет переходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, преломленный луч откланяется от нормального. Чем больше становится угол падения на границу раздела, тем больше откланяется преломленный луч о нормального луча, до тех пор пока преломленный луч не достигает угла в 90, по отношению к нормальному и начинает скользить по поверхности раздела. Угол падения называется критическим, когда преломленный луч начинает скользить по границе раздела.

Режим полного внутреннего отражения происходит тогда, когда угол падения превышает критический. Стеклянное ОВ, используемое для целей передачи света, требует использования полного внутреннего отражения.

Классификация световых волн в световоде и особенности их распространения. Понятие области отсечки.

В общем случае в ОВ возможно существование 3-х типов волн.

1). Направляемая волна, переносящая энергию по сердцевине ОВ

2). Вытекаемая волна, переносящая энергию по оболочке ОВ

3). Излучаемая волна, переносящая энергию из ОВ в окружающее пространство.

Направляемая волна является переносчиком информационных сигналов по сердцевине ОВ.

Направляемые волны подразделяются на 4-е типа по признаку отсутствия либо наличие продольных составляющих E_Z и Н_Z.

Вектора Е и Н раскладываются по направлению распространения:

Поперечные составляющие

Продольные составляющие

Волны классов Е и Н называют также меридианальными лучами.

Меридианальному лучу могут соответствовать световые волны двух классов:

1) электрическая волна класса Е, содержащая .

2) магнитная волна класса Н, содержащая .

Косому лучу также соответствуют волны 2-х классов:

1) гибридная волна класса ЕН, содержащая .

2) гибридная волна класса НЕ, содержащая 4. Гибридная волна – это волна, у которой имеются составляющие векторов напряженности эл. и маг. поля.

2. Числовая апертура световода.

Аппертура ОВ - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса – лучей падающих в торец ОВ, для которых в дальнейшем выполняется условие полного внутреннего отражения.

Физически апертура характеризует эффективность ввода оптического излучения в ОВ, а для ее числовой оценки используется понятие номинальной числовой апертуры.

NA = n₀ * sin Θa

n_{0 –} показатель преломления окружающей среды, для воздуха n_{0 = 1}

Распространение света по ОВ объясняется закономерностями геометрической оптики и законом преломления света Снеллиуса.

n₁ * sin Θ₁ = n ₂ * sin Θ₂ ,

где n₁ – показатель преломления среды 1, Θ₁ - угол падения

где n₂ – показатель преломления среды 2, Θ₂ - угол преломления

В соответствии с теоремой Снеллиуса выражение для номинальной числовой апертуры примет вид

NA= n₁² –n₁²

Из выражения видно, что с увеличением разности показателей преломления сердцевины и оболочки значение NA возрастает и следовательно улучшается эффективность ввода излучения в ОВ.

Числовая апертура используется для того, чтобы описать светособирающую способность волокна.

Апертурой называется максимальный угол  _A между оптической осью и основным лучом, падающим на торец многомодового волокна, при этом выполняется условие полного внутреннего отражения. То есть апертура это способность световода принимать световую энергию.

,(5)

Числовая апертура NA, важный параметр она связана с максимальным углом  _A вводимого в волокно излучения из свободного пространства, при котором свет испытывает полное внутреннее отражение, с ее помощью можно найти число мод для различных видов световода:

для ступенчатого

для градиентного .

где a-радиус сердцевины волокна,  -длина волны. Равенство числовых апертур является одним из необходимых условий достижения малых потерь в разъемных и неразъемных соединениях волоконных световодов.