альному випадку є функцією поперечної координати. Цю функцію називають профілем показника заломлення.
Для передачі електромагнітної енергії по світловоду використовується відоме явище повного внутрішнього відбиття на межі розділу двох діелектричних середовищ, тому необхідно, щоб n 1 > n 2 .
Розглянемо випадок, коли промінь світла, що поширюється в середовищі з показником заломлення n 1 , зустрічає межу розділу з середовищем, що має менший показник заломлення n 2 (Рис. 4).
У відповідності з законом Снеллиуса, кут в середовищі з меншим показником заломлення більше, ніж кут падіння. При зростанні зростає і, і оскільки більше, стане рівним 90 0 раніше, ніж. Кут падіння, для якого заломлений промінь ковзає по поверхні розділу (тобто, для якого = 90 0 ), називається кутом повного внутрішнього відображення. Кут повного внутрішнього відбиття розраховується за формулою (див. закон Снеллиуса, вважаючи, що = 90 0 ):
.
Якщо кут падіння більше (промінь 3), то промінь не заходить у другу середу, а повністю відбивається всередину першого серед. Саме цей принцип повного внутрішнього відбиття дозволяє оптичним волокнам проводити світло.
В залежності від величини кута, який утворює з віссю промені, що виходять з точкового джерела в центрі торця світловода (рис. 3), виникають хвилі випромінювання 1, хвилі оболонки 2 і сердечника 3. В осерді і оболонці існує два типи променів: меридіональні, які перетинаються в деякій точці з віссю світловода, і косі, які з віссю світловода НЕ перетинаються. Тут показані тільки мердіональние промені. Якщо кут падіння електромагнітної хвилі на кордон сердечник-оболонка більше кута повного внутрішнього відображення, то промінь повністю відбивається на кордоні і залишається всередині сердечника (промінь 3).
Таке пояснення направленості світла засноване на законах геометричної оптики і не враховує властивостей світла як електромагнітної хвилі. Облік хвильових властивостей дозволив встановити, що з усієї сукупності світлових променів в межах кута повного внутрішнього відбиття для даного світловода тільки обмежене число променів з дискретними кутами може утворювати направляються хвилі, які називають також хвилеводними модами. Ці промені характеризуються тим, що після двох послідовних перевідбиттів від кордону сердцечнік-оболонка хвилі повинні бути у фазі. Якщо ця умова не виконується, то хвилі інтерфіріруют так, що гасять один одного і зникають. Кожна волноводная мода має характерною для неї структурою електромагнітного поля, фазової та групової швидкостями.
Хвилі випромінювання рапределяются безперервно по всій належної їм області кутів і утворюють неперервний спектр. Хвилі оболонки і хвилі випромінювання - паразитні хвилі, які відбирають енергію джерела порушення і зменшують корисну енергію, передану по сердечнику. Ці хвилі важко повністю виключити при порушенні світловода. Крім того, вони також виникають на геометричних Нерегулярні світловода і неоднорідностях матеріалу.
Залежно від числа розповсюджуються на робочій частоті хвиль (мод) світловоди поділяють на одно-і багатомодові. Число мод залежить від співвідношення діаметра сердечника світловода і довжини хвилі і розраховується за формулою
,
де а-радіус осердя волокна,
- довжина хвилі світла,
- відносна різниця показників заломлення.
.
Так як n 1 і n 2 мають дуже близькі значення, номінальна величина для більшості оптичних волокон знаходиться в межах = 0,28 - 2,1%.
Гідністю одномодових світловодів є мала дисперсія (спотворення сигналів), велика інформаційно-пропускна здатність і велика дальність передачі. Одномодові системи є найбільш перспективним напрямком розвитку техніки передачі інформації.
У багатомодових світловодах імпульс на прийомі розширюється і спотворюється. Дисперсія в багатомодових світловодах суттєво обмежує смугу переданих частот і дальність передачі.
Для характеристик світловода важливе значення має профіль показника заломлення в поперечному перерізі. Якщо сердечник світловода має постійне по радіусу значення показника заломлення, то такі світловоди називаються световодами зі східчастим профілем показника заломлення (спостерігається сходинка n на кордоні сердечник-оболонка).
Для боротьби з уширением імпульсів в оптичних волокнах з ступінчастим профілем показника заломлення розроблений інший тип багатомодового волокна, який знайшов набагато більш широке застосування в далекого зв'язку - оптичні волокна з градієнтним профілем показника заломлення. У таких скловолокна показник заломлення від центру сердечника до краю змінюється плавно. Хід променів в градієнтному світловоді показаний на рис. 6.
Промені тепер вигинаються в напрямку градієнта показника заломлення (замість заломлення або повного відображення, як у випадку волокна зі східчастим профілем).
У показник заломлення для градієнтних світловодів описується функцією
,
де r - поточний радіус;
n 1 - найбільше значення показника заломлення сердечника;
g - коефіцієнт, визначає вид профілю показника заломлення.
При g = формула описує ступінчастий профіль показника заломлення. При g = 2 світловоди називають параболічними, так як профіль показника заломлення описується параболою. На практиці волокна з градієнтним профілем показника заломлення мають g близько 1.92 і майже параболічний профіль.
Одномодові волокна можна розділити на дві категорії: звичайні або волокна з незміщеною дисперсією, які випускаються для апаратури, що працює на довжині хвилі 1,3 мкм, і волокна зі зміщеною дисперсією, які випускаються для роботи на довжині хвилі 1,55 мкм. Поняття зміщеної або незміщеної дисперсії пов'язані з довжиною хвилі, на якій волокно має найбільшу смугу пропускання.
На відміну від багатомодових волокон, одномодові волокна випускають з різним профілем показника заломлення оболонки. При цьому розрізняють волокна з вирівняною оболонкою, показник заломлення якої відповідає показнику заломлення скловолокон зі ступінчастим профілем і вирівняний з показником заломлення чистого кварцу, і втиснула оболонкою, в якій матеріал оболонки складається з двох зон (рис. 7). Показник заломлення (n 3 ) внутрішньої, сусідній з сердечником зони має значення менше або утиснений щодо показника заломлення зовнішнього зони, що дорівнює показнику заломлення чистого кварцу (n 2 ).
У волокнах зі зміщеною дисперсією показник заломлення сердцечніка має більш складну форму. На рис. 8 наведені приклади профілів показників заломлення для вирівняною і втиснула оболонками і труегольним профілем показника заломлення сердечника.
В одномодових волокнах зі зміщеною дисперсією для складних профілів показника заломлення визначення діаметра сердечника представляє певні труднощі, тому для таких світловодів вводиться поняття діаметра поля моди. Враховуючи, що інтенсивність світла по перерізу сердечника одномодового світловоду розподілена нерівномірно і підпорядковується, як правило, нормальному закону, то радіальне відстань, на якому інтенсивність падає в 1/е 2 = 0,135 відносно пікового значення називається радіусом поля моди і позначається. Подвоєна величина 2 і являє собою діаметр поля моди (рис. 9).
Важливою характеристикою світловода є числова апертура NA (Numerical Aperture), яка являє собою синус від апертурного кута. Апертурний кут - це кут між оптичною віссю і однією з утворюючих світлового конуса, що впливає на торець світловода.
Таким чином,
де n 0 - показник заломлення навколишнього середовища.
У відповідності з законом Снеллиуса, маємо
Від значення NA залежать ефективність вве...
