Билет 10

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

Волоконный световод (ВС) представляет собой тонкую двухслойную стеклянную нить (сердечника и оболочки).

Волоконные световоды делятся на две группы: многомодовые и одномодовые. В конструктивном отношении они различаются диаметром сердцевины. В одномодовом световоде диаметр сердцевины d₁ соизмерим с длиной волны (d₁≈λ), и по нему передается лишь один тип волны (моды). В многомодовых световодах диаметр сердцевины d₂ больше длины волны (d₂>λ), и по нему распространяется большое число волн. Практически диаметр сердцевины световода составляет 6 — 8 мкм у одномодовых и 50 мкм у многомодовых световодов, диаметр оболочки — 125 мкм, диаметр волокна по защитному покрытию — 250 мкм.

Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред, поэтому необходимо, чтобы n1 > n2.

Когда луч света, распространяющийся в среде с показателем преломления n1, встречает границу раздела со средой, имеющей меньший показатель преломления n2 (рис. 1.1). В соответствии с законом Снеллиуса, угол ϕ2 в среде с меньшим показателем преломления больше, чем угол падения ϕ1. При возрастании ϕ1 возрастает и ϕ2, и, поскольку ϕ2 больше ϕ1 , ϕ2 станет равным 90° раньше, чем ϕ1 . Угол падения, для которого преломленный луч скользит по поверхности раздела (т.е. для которого ϕ2 = 90°), называется углом ϕс полного внутреннего отражения.

Если угол падения больше ϕс (луч 3), то луч не заходит во вторую среду, а полностью отражается вовнутрь первой среды. Именно этот принцип полного внутреннего отражения позволяет оптическим волокнам проводить свет.

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

1. волна сердечника;

2. волна оболочки;

3. волна излучения.

В сердечнике и оболочке существует два типа лучей: меридиональные, которые пересекаются в некоторой точке с осью световода (рис.1.2), и косые, которые с осью световода не пересекаются. Если угол падения электромагнитной волны на границу сердечник – оболочка больше угла полного внутреннего отражения, то луч полностью отражается на границе и остается внутри сердечника (луч 3).

Такое объяснение направляемости света основано на законах геометрической оптики и не учитывает свойств света как электромагнитной волны. Учет волновых свойств позволил установить, что из всей совокупности световых лучей в пределах угла полного внутреннего отражения для данного световода только ограниченное число лучей с дискретными углами может образовывать направляемые волны, которые называют также волноводными модами. Эти лучи характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений от границы сердечник – оболочка волны должны быть в фазе. Если это условие не выполняется, то волны интерферируют так, что гасят друг друга и исчезают. Каждая волноводная мода обладает характерной для нее структурой электромагнитного поля, фазовой и групповой скоростями.

Волны излучения распределяются непрерывно по всей принадлежащей им области углов и образуют непрерывный спектр. Волны оболочки и волны излучения – паразитные волны, которые отбирают энергию источника возбуждения и уменьшают полезную энергию, передаваемую по сердечнику. Эти волны трудно полностью исключить при возбуждении световода. Кроме того, они также возникают на геометрических нерегулярностях световода и неоднородностях материала.

В световодах могут существовать два типа волн: симметричные E0m, H0m; несимметричные дипольные EHnm, HEnm. В индексе n – число изменений поля по диаметру; m – число изменений поля по периметру. Симметричные волны электрические Е0m и магнитные H0m имеют круговую симметрию (n = 0).

Раздельное распространение по световоду несимметричных волн невозможно. В световоде они существуют только совместно, т.е. имеются продольные составляющие Е и Н. Эти волны называются смешанными, дипольными и обозначаются через HЕnm, если поле в поперечном сечении напоминает поле Н, или EНnm, если поле в поперечном сечении ближе к волнам Е.

Меридиональным лучам соответствуют симметричные электрические Е0m и магнитные H0m волны, косым лучам – несимметричные гибридные EНnm и HЕnm волны.

Если точеченый источник излучения расположен по оси световода, то имеются только меридиональные лучи и, соответственно, симметричные волны Е0m, H0m. Если же точечный источник расположен вне оси световода или имеется сложный источник, то появляются одновременно как меридиональные, так и косые лучи и свойственные им симметричные Е0m, H0m и несимметричные гибридные EНnm и HЕnm волны.

Несимметричные волны типа Enm и Hnm в волоконных световодах существовать не могут. Эти волны возбуждаются только в металлических волноводах.

Область отсечки: определяет с какого значения длины волны волокно начинает работать в одномодовом режиме. (если больше 1300 нм).

Частота отсечки – предельная частота, ниже которой невозможно возникновение моды с определёнными индексами. Точки на оси абсцисс, в которых начинаются дисперсионные кривые, соответствуют критическим значениям нормированной частоты V.

Нормированную частоту отсечки V_отс также называют нормированной критической частотой V_kp. На частоте отсечки поле выходит из сердцевины в оболочку, и мода исчезает.