Направление подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
2025 г.
МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Ордена Трудового Красного Знамени Федеральное государственное образовательное бюджетное
учреждение высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики
Кафедра «Направляющие телекоммуникационные среды»
«Направляющие телекоммуникационные среды»
Лекция № 4
Физические процессы в оптических волокнах
Рисунок 1 - Общий вид двухслойного коаксиального волокна
Отношение скорости света в свободном пространстве к скорости света в веществе называется показателем преломления (с
3 108 м/с – скорость света):
n |
c |
|
|
(1 |
|
|
|||||
|
) |
||||
|
|||||
|
|
|
|
||
Относительная магнитная проницаемость немагнитной среды = 1.
Соответственно, для кварцевого стекла:
n 
2
ПРОФИЛЬ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
Принципы передачи оптического излучения в ОВ наиболее просто можно пояснить в рамках теории геометрической оптики, которая является предельным случаем волновой теории при
0, где - длина волны
где r – радиальная координата; f(r) – функция профиля показателя преломления; - параметр высоты профиля
Рисунок 2 - Ступенчатый |
|
Рисунок 3 - Градиентный |
профиль |
|
профиль |
показателя преломления |
|
показателя преломления ОВ |
ОВ |
|
|
|
|
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ̆ ОПТИКИ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Свет можно представить как совокупность оптических лучей, которые распространяются |
||||||||||||||||||||
прямолинейно. Согласно законам геометрической оптики, при падении луча на границу |
||||||||||||||||||||
раздела двух сред с показателями преломления |
n1 и n2 |
он, в общем случае, отражается и |
||||||||||||||||||
преломляется (рисунок 4). При этом, угол падения 1 |
равен |
углу отражения 3, а угол |
||||||||||||||||||
преломления 2 связан с углом падения 1 |
соотношением, известным как закон Снеллиуса: |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
= |
|
|
|
(2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
преломленный |
|
|
|
|
преломленный |
|
|
|
луч, преломленный |
|||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
луч |
|
|
|
|
луч |
|
|
|
|
вдоль поверхности |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
2=90о |
||
|
|
n |
2 |
< n |
|
|
|
|
|
|
|
n2 < n1 |
|
|
|
|
n2 < n1 |
|
||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
n1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
n1 |
|
|
|
|
n1 |
|
|
|
|
падающий |
1 |
|
3 |
|
отраженный |
|
падающий |
1 |
3 |
отраженный |
падающий |
1 |
3 |
отраженный |
||||||
|
луч |
|
|
|
|
|
луч |
|
луч |
луч |
|
луч |
луч |
|||||||
Рисунок 4 - Преломление |
|
Рисунок 5 - Увеличение угла |
Рисунок 6 - Полное |
|||||||||||||||||
луча на границе раздела |
|
преломления с |
|
внутреннее отражение |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
сред |
|
|
|
|
увеличением угла падения луча |
|
|
|
4 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на границу раздела сред |
|
|
|
|
||||
УГОЛ ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ
Как следует из рисунка 6, при равенстве угла падения предельному углу полного внутреннего отражения, угол преломления равен .
В этом случае и, как следует из (2):
Отсюда предельный угол полного внутреннего отражения равен:
(4)
5
АПЕРТУРНЫЙ̆ УГОЛ
Необходимо выполнение следующих условий:
•длина волны должна быть меньше диаметра сердцевины ОВ ( <a);
•показатель преломления в сердцевине должен быть больше показателя преломления оболочки (n1>n2)
Рисунок 7 - Принцип распространения света в ОВ |
6 |
Рисунок 8 - Условия ввода оптического излучения в ОВ
7
Рисунок 9 - Апертура оптического волокна
Апертура характеризует условия ввода и распространения оптического излучения в ОВ. Обычно используют понятие числовой апертуры:
NA n |
0 |
sin |
A |
n |
0 |
n2 |
n2 |
(5) |
|
|
|
1 |
2 |
где n0 – показатель преломления среды, из которой оптическое излучение вводится в ОВ (n0 = 1 для воздуха)
МОДЫ НАПРАВЛЯЕМЫЕ, ВЫТЕКАЮЩИЕ И ИЗЛУЧАЕМЫЕ |
|
|
|
|
|
||||
4 |
|
К |
направляемым |
относятся |
моды, |
||||
|
|
||||||||
3 |
n2 |
которые распространяются в сердцевине |
|||||||
волокна, |
обеспечивая |
передачу |
|||||||
|
|
||||||||
|
2 |
информации (лучи 1 и 2). В этом случае |
|||||||
n1 |
1 |
энергия |
светового |
излучения |
|||||
концентрируется |
в |
сердцевине |
|||||||
|
|||||||||
А |
|
волновода и практически не излучается |
|||||||
|
|
||||||||
|
n2 |
из него. |
|
|
|
|
|
||
|
Лучи, которые лежат вне конуса, |
||||||||
|
|
||||||||
Рисунок 10 - Классификация лучей (мод) в |
образующая которого пересекает ось ОВ |
||||||||
ОВ |
|
под апертурным углом - А, на границе |
|||||||
|
|
сердцевина/оболочка |
преломляются |
и |
|||||
|
|
теряют энергию в оболочке (луч 3). |
|
|
|||||
|
|
Эти моды называются вытекающими. |
|
||||||
В зависимости от соотношения длины волны и диаметра сердцевины различают одномодовый и многомодовый режимы работы ОВ. При a, условия полного внутреннего отражения могут быть выполнены только для одного луча, распространяющегося по оси ОВ, или, другими словами, для одной моды. Это
одномодовый режим передачи, при котором в ОВ существует только одна основная направляемая мода HE11 или
LP01.
Волокна, оптимизированные для работы в одномодовом режиме, получили название – одномодовые.
При << a условие полного внутреннего отражения выполняется не только для основной моды, но и для мод высших порядков. Число распространяющихся мод может составлять нескольких тысяч. Это многомодовый режим работы ОВ. Волокна предназначенные для работы в таком режиме называют многомодовыми.
10