2.3. Типы волоконных световодов и принцип их действия

Основным элементом оптического кабеля является волоконный свето­вод, выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической фор­мы, по которому осуществляется передача микронных длин волн, что соот­ветствует диапазону частот 10¹⁴... 10¹⁵Гц.

Оптическое волокно, как правило, имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления

n₁, иn₂ (гдеn=), причемn₁,>n₂.

Оптические волокна классифицируются на две группы: одномодовые имногомодовые, причем последние подразделяются наступенчатые игради­ентные (рис. 2.7).

В одномодовых ОВ диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны (d) и по нему передается лишь один луч — тип волны (мода). В многомодовых ОВ диаметр сердцевины больше, чем длина волны(d), и по нему распространяется большое число лучей (мод). Практи­чески сердцевина ОВ составляет 8... 10 мкм у одномодовых и 50 мкм у многомодовых волокон. Снаружи располагается двухслойное покрытие: лако­вое (эпокснакрилат) и полимерное (фторопласт, нейлон).

Рис. 2.7. Волоконные световоды:

ступенчатые, многомодовые (а); градиентные (б); одномодовые (в)

Как видно из рис. 2.7, ход лучей в различных ОВ различен. В ступен­чатом многомодовом волокне лучи резко отражаются от границы сердцеви­на—оболочка. Причем пути следования различных лучей различны, и поэто­му они приходят к концу линии со сдвигом по времени. Это приводит к ис­кажению передаваемого сигнала (дисперсии).

Градиентные ОВ также являются многомодовыми. Однако здесь лучи распространяются по волнообразным траекториям, и поэтому они с мень­шим разбросом по времени приходят к концу линии.

Одномодовые ОВ обладают наилучшими характеристиками, так как здесь распространяется только один луч.

Для параболического распределения показателя преломления закон из­менения n₂ по радиусу определяется выражением

где r — текущий радиус;а — радиус сердцевины;n₀— показатель преломления в центре сердцевины (примерно 1,5);—соотношение показателей преломления. Значенияприn₁=1,51 и различных величинахn₂

приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4

n2	1,49	1,495	1,5	1,505
∆	0,013	0,0099	0,0066	0,0033

Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии, назначе­ние оболочки в основном для создания лучших условий отражения на гра­нице сердцевина—оболочка и защиты от излучения энергии в окружающее пространство.

2.4. Апертура волоконного световода

Апертура — это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при кото­ром выполняется условие полного внутреннего отражения.

Учитывая, что в световоде границей раздела сред сердцевина — оболоч­ка являются прозрачные стекла, возможно не только отражение оптического луча, но и проникновение его в оболочку. Для предотвращения перехода энергии в оболочку и излучения в окружающее пространство необходимо соблюдать условие полного внутреннего отражения и апертуру. Реализация этого условия применительно к двухслойному световоду показана на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Прохождение лучей в световоде

По законам геометрической оптики в общем виде на границе сердечник— оболочка будут падающая волна с углом φ_п, отраженная с углом φ₀и пре­ломленная волна с углом φ_пр(рис. 2.8, точкаА). Известно, что при переходе из среды с большей плотностью в среду с меньшей плотностью, т. е. приn₁>n₂, волна при определенном угле падения полностью отражается и не переходит в другую среду (рис. 2.8, точкаВ). Угол падения φ_п, начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сред, т. е. при φ_п= θ_В, называетсяуглом полного внутреннего отражения:

где μ и ε — соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемости сердечника (μ₁, ε₁) и оболочки (μ₂, ε₂). При φ_п=θ_впреломленный луч про­ходит вдоль границы раздела сердцевина—оболочка и не излучается в окру­жающее пространство (рис. 2.8, луч2 в точкеБ).

При φ_п<θ_вэнергия, поступившая в сердечник, полностью отражается и распространяется по световоду (рис. 2.8, луч3 в точкеВ). Чем больше угол падения волны, т. е. φ_п>θ_вв пределах от θ_вдо 90°, тем лучше условия распространения и тем быстрее волна придет к приемному концу. В этом случае вся энергия концентрируется в сердечнике световода и практически не излучается в окружающую среду. При падении луча под углом, меньшим угла полного отражения, т. е. φ_п<θ_вэнергия проникает в оболочку, излу­чается во внешнее пространство и передача по световоду неэффективна (рис. 2.8, луч / в точкеА).

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец волоконного световода. Как видно из рис. 2.9, световод пропускает, лишь свет, заключенный в пределах телесного угла θ_а, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения θ_вЭтот телесный угол θ_ахарактеризуется числовой апертурой. Значения числовой апертуры приn₁=1,51 в различ­ных значенияхп₂ приведены в табл. 2.5. В действующих технических усло­виях .

Таблица 2.5

n2	1,49	1,495	1.5	1,505
NA	0,245	0,212	0,173	0,123

Как видно из рис. 2.9 между углами полного внутреннего отражения θ_В н апертурным углом падения луча θ_а имеется взаимосвязь. Чем больше угол θ_В, тем меньше апертура волокна θ_а. Следует стремиться к тому, чтобы угол падения луча на границу сердечник—оболочка φ_пбыл больше угла полного внутреннего отражения θ_Ви находился в пределах от θ_Вдо 90°, а угол ввода луча в торец световода φ укладывался в апертурный угол θ_а (φ<θ_а).