Лекція 1. Властивості та параметри оптичного волокна, засновані на законах електромагнітного поля

1. Типи електромагнітних коливань або мод в оптичних волокнах.

2. Профіль зміни показника заломлення

3. Поняття частоти отсікання та нормованої частоти мод. Число мод багатомодового волокна.

4. Типи хвиль, що поширюються у світловоді.

Завдання на СРС

5. Зсув фази при повному внутрішньому відбитті (ефект Гауса-Хенхєна).

6. Параметри серцевини та оболонки для різних видів світловодів.

1.Типи електромагнітних коливань

Оптичні волокна, які використовуються в системах зв'язку, виготовляються з кварцового скла. Цей матеріал забезпечує низький рівень втрат в досить широкій смузі частот, що дозволяє досягти достатньо великих відстаней між регенераторами.

Оптичне волокно (ОВ) - це, як правило, двошаровий діелектричний хвилевод, по якому поширюються одна або багато мод. Напрямлені моди волокна - тип напрямлених електромагнітних хвиль, кожна з яких існує лише на довжинах хвиль, менших від певного критичного значення - довжини хвилі відсікання тієї чи іншої моди, і для кожної з яких: на фіксованій довжині хвилі має певне значення фазова та групова швидкості; електричне та магнітне поля мають характерну поляризацію; має місце певний характерний розподіл інтенсивності поля по поперечному перерізу волокна. На фіксованій довжині хвилі дане волокно підтримує певне число напрямлених мод. Поширення світла через світловід є досить складним процесом. Для полегшення його розуміння може бути застосована променева модель, в якій промінь відповідає моді. Більш точна модель базується на теорії електромагнітного поля і є складною для пояснення принципу роботи оптичного світловоду.

Розгляд роботи оптичних волокон почнемо з волокон зі ступінчастою серцевиною. Такі волокна являють собою циліндричну діелектричну напрямну систему, що складається з серцевини, яка має показник заломлення , та оточуючої її оболонки з показником заломлення(,>). Торець волокна зрізано під прямим кутом до його оптичної осі.На рис.1 зображенепоширення променів, що входять в торець волокна із оточуючого середовища (повітря з показником заломлення ).

Рис.1. Поширення світла в оптичному волокні

Промінь світла поширюється всередині оптичного волокна завдяки багаторазовому відбиванню на границі серцевини та оболонки. Але не всі промені поширюються через волокно, а лише ті, які були спрямовані в середину волокна з оточуючого середовища під певними кутами, що знаходяться всередині конуса, утвореного максимальним кутом Ф₀, за якого ще має місце явище повного внутрішнього відбиття. Такий кут має назву апертурного. Цей кут визначається за формулою

NA=, (1)

де:

(рад) – числова апертура;

, - показники заломлення відповідно серцевини та оболонки;– показникзаломлення середовища, в якому знаходиться торець оптичного волокна (як правило, повітря);

–відносна різниця показників заломлення.

Остання наближена рівність має місце для малоспрямовуючих хвилеводів (.

Будь-який короткий світловий імпульс складається із сукупності променів, кожний з яких введений у волокно під своїм кутом і поширюється вздовж волокна по своїй окремій траекторії ( рис.1). Швидкість поширення світла в серцевині пов'язана зі значенням показника заломлення її матеріалу. Різні промені за одиницю часу проходять різну відстань вздовж волокна.

Таким чином, якщо у волокно одночасно введено кілька променів, то на виході волокна, що має довжину L, вони будуть розділені в часі на величину , яку можна знайти в першому наближенні геометричної оптики за формулою

(2)

В результаті, світловий імпульс, що складається з променів, які поширюються під усіма можливими кутами, буде розширеним в часі після проходження ним одиниці довжини волокна на величину

(3)

Таке розширення світлового імпульсу при його поширенні через волокно називається міжмодовою дисперсією.