ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ ОВ
В рамках волновой теории оптическое излучение рассматривается как электромагнитные волны оптического диапазона.
Однородная |
среда - показатель |
|
Изотропная среда - оптические свойства не зависят |
||
преломления |
«n» постоянен и не |
|
от направления падающего света и его поляризации |
||
зависит от координат, т.е. n=const. |
|
(стекло, воздух, вода - когда эти среды не |
|||
|
|
|
подвергаются |
воздействию |
электрических, |
|
|
||||
|
|
|
механических и т.д. полей) |
|
|
Распространение электромагнитных |
|
||||
волн в некоторой среде описывается уравнениями |
|||||
Максвелла, которые для однородной и изотропной среды, не содержащей свободных зарядов, |
|||||
имеют вид: |
|
|
|
|
|
(6)
|
(7) |
|
|
|
|
и - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости; |
и – абсолютные |
|
диэлектрическая и магнитная проницаемости |
|
11 |
Если продифференцировать (7) по t и подставить в полученное выражение производную из уравнения (6), то, воспользовавшись тождеством векторного анализа, получим волновое уравнение вида:
(8)
Волновое уравнение описывает электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью:
где - скорость света в вакууме, приближенно равная с = 3108 м/с
Отношение скорости света в свободном пространстве к скорости света в веществе называется показателем преломления:
Относительная магнитная проницаемость немагнитной среды . Соответственно, для |
|
кварцевого стекла . |
12 |
|
Для электромагнитных волн, распространяющихся в однородной среде на значительном расстоянии от источника излучения, поле зависит только от одной координаты, например z, и времени. В этом случае волновое уравнение принимает вид:
Одним из возможных решении этого уравнения является плоская монохроматическая волна:
(9)
E0 - амплитуда, величину – начальная фаза, а величина, стоящая под знаком косинуса – фаза волны:
13
Пусть в момент времени t0 фаза волны в точке с координатой z0 равна .
Тогда в момент времени значение фазы волна будет иметь в точке с координатой , где .
Другими словами за интервал времени фаза волны сместится на расстояние .
Таким образом, параметр определяет скорость перемещения волнового фронта – поверхности, на которой колебания происходят с одинаковой фазой.
Выражение (9) чаще записывают в виде:
Параметр k называется волновым числом, которое определяется формулой:
14
МАТЕРИАЛЫ ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ
Выбор материалов для изготовления ОВ определяется необходимостью удовлетворения одновременно следующих требований: способностью вытягиваться в нить, обладающую высокой прочностью и гибкостью; возможностью варьирования в широком интервале ПП для создания различных типов оптических сред; низкими оптическими потерями на несущей частоте излучения и т.д.
Стекла характеризуются следующими физико- химическими параметрами:
o Механическая прочность стекла зависит не столько от его химического состава, сколько от состояния поверхности.
o Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) стекол находится в пределах от 5,8 10- 7 (кварцевое стекло) до 150 10-7 град.
o Температура размягчения для стекол разного состава изменяется в пределах 350-1730oС.
В ОВ из плавленого кварца самое низкое известное значение поглощения составляет 1,9 дБ/км на длине волны 0,85 мкм, 0,291 дБ/км на длине волны 1,3 мкм и 0,154 дБ/км на длине волны 1,55 мкм
Общая технологическая схема изготовления ОВ включает изготовление заготовок и вытяжку ОВ из этих заготовок.
Изготовление кварцевых заготовок осуществляют различными технологическими методами, в основе которых лежит метод жидкой фазы, парофазная техника и золь-гель процесс.
15
ТИПЫ ВОЛН В ОВ
•Т-волны или поперечные электромагнитные волны не содержат продольных составляющих электромагнитного поля (Еz=0 и Нz=0).
•Е или ТМ-волны – волны, не имеют продольной составляющей магнитного поля (Нz=0). Такие волны называются электрическими или поперечно-магнитными, при
этом вектор напряженности электрического поля имеет и поперечную, и продольную составляющие.
•H или TE-волны – для этих волн характерно отсутствие продольной составляющей электрического поля. Данный тип волн также называют магнитными волнами или поперечно- электрическими.
•LE-волны – это продольно-электрические волны, у которых в поперечном сечении присутствует только одна составляющая электрического поля.
•LM-волны – продольно-магнитные волны, у которых в поперечном сечении присутствует только одна составляющая магнитного поля.
•Гибридные волны НЕ или ЕН – для этих волн характерно наличие всех шести составляющих электромагнитного поля с преобладанием в поперечном сечении той или иной составляющей: НЕ – магнитной, а ЕН – электрической, соответственно.
Это позволяет составить линейную комбинацию гибридных мод, которая имеет линейную поляризацию и является преимущественно поперечной, и перейти непосредственно к линейно-поляризованным модам LPlm.
Каждая мода LPlm обозначается двумя числовыми индексами l и m:
•азимутальный порядок l определяет число полных изменении поля по окружности световода (l = 0; 1; 2...).
•радиальный порядок m – число вариации поля по диаметру (m = 1; 2; 3...).
В соответствии с рекомендациями международного совета по электросвязи МСЭ - Т (ITU-T – International Telecommunication Union - Telecommunications department) на информационных сетях используют два типа кварцевых многомодовых оптических волокон, которые отличаются отношением диметр сердцевины/диаметр оболочки:
50/125 и 62,5/125.
Диаметр сердцевины многомодовых ОВ существенно больше рабочих длин волн оптического излучения 850...1300 нм.
Как следствие, нормированная частота > 2,405. При этом число распространяющихся мод LPlm может достигать нескольких тысяч.
Рисунок 12 -Трехмерные поверхности и распределения интенсивности полей 18
основной моды и мод высших порядков
ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ
1.В чем заключается принцип передачи оптического излучения по оптическим волокнам на основе теории геометрической оптики? Почему показатель преломления сердцевины волокна должен быть больше показателя преломления оболочки?
2.Каковы особенности работы оптических волокон в многомодовом и одномодовом режимах? В чем заключается физический смысл термина «мода»?
3.Как классифицируются моды оптического излучения? Что такое длина волны отсечки?
4.Что такое «профиль показателя преломления оптического волокна»? Как классифицируют волокна в зависимости от профиля показателя преломления?
5.Каковы назначение и область применения многомодовых оптических волокон на современных сетях связи?