2.1 Распространение сигналов в ступенчатых оптических волокнах

Простейшая модель оптического волокна может быть представлена двухслойным световодом, состоящим из внутренней сердцевины диаметром мкм и окружающей оболочки диаметром мкм с показателями преломления и соответственно, причем . Наибольшее распространение в технике связи получили оптические волокна, изготовленные на базе кварца. Поверх оболочки накладывается защитное покрытие, чаще всего из эпоксиакрилата (кабели наружной прокладки).

Рисунок 2.4

На рисунке 2.4 показано продольное осевое сечение волокна и ход лучей, лежащих в этом сечении, которые называются меридиальными. В зависимости от угла наклона луча к оси z меридиальные лучи могут испытывать полное внутреннее отражение на границе сердцевина-оболочка, если . При этом образуются моды сердцевины 1 или направляемые волны. Это основной тип волн, распространяющихся по световоду. Энергия сосредоточена внутри сердцевины волокна.

Если луч падает под углом , то он может сформировать моды оболочки 2 (вытекающие волны) или моды излучения3 (излучаемые волны).

Световой луч, падающий на торец волокна из свободного пространства с показателем преломления под углом к оси волокна, преломляется при вхождении в сердцевину и распространяется в ней под углом . Пока угол остается меньше предельного или критического угла - полного внутреннего отражения, определяемого соотношением , сердцевина волокна будет удерживать луч. Следовательно, все меридианные лучи, которые падают на торец волокна под углом , определяемого из соотношения:

будут удерживаться внутри сердцевины благодаря полному внутреннему отражению.

Следует иметь в виду, что по волоконным световодам распространяются два вида лучей: меридиальные и косые. Меридиальные лучи расположены в плоскости, проходящей через ось световода. Косые лучи движутся по сложной траектории и не пересекают ось световода. Они образуются в результате падения на входной торец световода лучей, лежащих в пределах числовой апертуры, но не в плоскости меридиального сечения волокна. Если меридиальный луч, движущийся вдоль волокна, «виден» с его торца в виде отрезка прямой АВ (рисунок 2.5а), проходящий через центр, т.е. поперечная проекция луча совпадает с диаметром сердцевины, то косой луч проектируется на плоскость поперечного сечения в виде ломаной линии (рисунок 2.5б).

Рисунок 2.5 – Меридиальные(а) и косые (б) лучи.

Для косого луча условия отражения могут быть различными в различных точках его изломанной траектории – в одних точках это отражение будет полным, в других – частичным, что приведет к постепенному выходу энергии лучей в оболочку, называемых лучами утечки. Энергия лучей утечки переходит в оболочку не сразу, как в случае лучей, формирующих моды оболочки, а постепенно, на протяжении сотен метров и даже нескольких километров оптической линии. Лучи утечки и соответствующие моды утечки также как моды сердцевины принимают активное участие в формировании потока энергии вдоль волокна.