2.3. Особенности распространения оптического излучения в световодах

Для передачи электромагнитного излучения оптического диапазона в заданную область пространства, в основном, используют диэлектрические волноводы в виде круглых, прямоугольных и тонкопленочных структур. Их иногда называют световодами. Диэлектрические волноводы, длина которых много больше их поперечного сечения, обычно с круглым, а иногда и с прямоугольным поперечным сечением (пленки), называют волоконными световодами или оптическими волокнами. Оптические волокна с оболочкой из кварцевого стекла и сердцевиной из кварцевого стекла, легированного германием, являются в настоящее время основным видом направляющих трактов, используемых для передачи оптических сигналов на большие и малые расстояния. Используются однослойные, двухслойные, трехслойные и многослойные световоды, со ступенчатым или градиентным профилем показателя преломления сердцевины. В настоящее время наиболее распространенными являются двухслойные волоконные световоды со ступенчатым профилем показателя преломления и градиентные световоды с параболическим профилем показателя преломления.

2.3.1. Конструкция волоконного световода

Конструкция двухслойного волоконного световода, состоящего из сердцевины (центральной жилы) и оболочки представлена на рис. 2.4.

Оболочка волоконного световода выполнена из кварцевого стекла, имеющего показатель преломления n₀=1,451. Центральная часть, световодная сердцевина, выполнена из кварцевого стекла, легированного окисью германия, и имеет показатель преломления n_с=1,465.

Рис. 2.4. Продольный разрез двухслойного волоконного

световода и схема распространения светового луча

в сердцевине световода

При прохождении луча света из одной среды в другую на границе раздела сред происходит отражение и преломление света. При этом согласно закону Снеллиуса справедливо соотношение

, (2.8)

где - угол падения луча из сердцевины на оболочку, а- угол преломления в оболочке.

При некотором критическом значении , уголи. Угол называется критическим углом внутреннего отражения. Если угол падения из сердцевины , происходит полное внутреннее отражение от границы сердцевины с

оболочкой.

Распространение света в трехслойной среде подробно рассмотрено в работе [14]. Согласно этой работе при полном внутреннем отражении поле направляемой волны сосредоточено, в основном, в области сердцевины волокна. Некоторая часть поля все же проникает в оболочку, но оно спадает почти экспоненциально в радиальном направлении от границы сердцевины. Величина этого поля на наружной поверхности волокна может быть сделана сколь угодно малой.

Числовая апертура оптического волокна NA = sin (в этом случае угол отсчитывается от оси волокна) при данном n_с определяет максимальный телесный угол конуса лучей, пропускаемых волокном. При превышении этого угла в оптическом волокне с оболочкой не происходит полного внутреннего отражения луча на границе сердцевина - оболочка. Он будет преломляться и распространяться в оболочке, т. е. оптическая изоляция сердцевины будет нарушена.

Для двухслойного волокна числовая апертура волоконного световода, определяющая угол расходимости света из волокна , определяется по формуле:

, (2.9)

где n = (n_c + n_o)/2; n = n_c - n_o . Из этой формулы следует, что чем больше разность между n_с и n_о, тем больше числовая апертура, и конический пучок лучей с большим телесным углом пройдет в оболочку.

Примеры:

– волоконный световод из кварцевого стекла:

n_о=1,451 , n_с=1,465; n = 0,014; NA=0,2;  =11,5

– волоконный световод из оптического стекла:

сердцевина–стекло Ф6 с показателем преломления n=1,603, оболочка–стекло К8 с показателем преломления n=1,516; NA=0,521;  =31.

Одной из важнейших характеристик волоконного световода является коэффициент оптического пропускания = Р/Р₀ , где Р и Р_о мощности прошедшего и падающего световых потоков. Однако, для оценки потерь в оптических волокнах обычно используют коэффициент затухания ..

Коэффициент затухания–величина, характеризующая уменьшение мощности оптического излучения при его прохождении по оптическому волокну, выраженная в дБ и, отнесенная к длине оптического волокна.

Коэффициент затухания обычно определяется путем измерения значений мощности излучения P₁ и P₂  на его выходе при исходной длине образца L₁ и после укорочения волновода до длины L₂ ,соответственно, с последующим вычислением по формуле:

. (2.10)

В настоящее время основным материалом, используемым для изготовления волоконных световодов, является кварцевое стекло.