|
11.2.
Типы
оптических
волокон
Основным
элементом
оптического
кабеля
является
опти
-
ческий
волновод
–
круглый
стержень
из
оптически
прозрачного
диэлектрика
,
структура
которого
обеспечивает
распространение
вдоль
него
световых
сигналов
.
Оптические
волноводы
из
-
за
ма
-
лых
размеров
поперечного
сечения
обычно
называют
волокон
-
ными
световодами
(
ВС
)
или
оптическими
волокнами
(
ОВ
).
Первый
термин
обычно
применяется
при
исследовании
вопро
-
сов
передачи
информации
с
помощью
законов
оптики
,
второму
отдается
предпочтение
при
рассмотрении
конструктивных
и
тех
-
нологических
особенностей
оптических
кабелей
.
В
тех
случаях
,
когда
длина
волны
излучения
λ
гораздо
меньше
размеров
поперечного
сечения
ВС
,
для
описания
процес
-
282
са
распространения
света
можно
пользоваться
приближенными
методами
геометрической
(
лучевой
)
оптики
.
Если
же
указанное
условие
не
выполняется
или
законы
геометрической
оптики
не
позволяют
получить
правильные
результаты
,
для
исследова
-
ния
волновых
явлений
в
ВС
необходимо
решать
уравнения
Мак
-
свелла
,
что
требует
применения
аппарата
математической
физи
-
ки
.
Это
сложная
задача
даже
при
рассмотрении
простейших
ВС
.
Рассмотрим
процесс
распространения
световых
волн
методами
геометрической
оптики
.
Если
световая
волна
из
оптически
более
плотной
среды
падает
на
границу
раздела
с
оптически
менее
плотной
средой
(
n
1
>
n
2
),
то
согласно
закону
Снеллиуса
всегда
существует
кри
-
тический
(
предельный
)
угол
падения
2
кр
1
φ
arcsin
n
n
=
,
(11.1)
при
котором
прошедшая
волна
распространяется
вдоль
границы
раздела
сред
(
)
пр
φ
π
2 .
=
При
всех
углах
падения
кр
φ φ
>
пре
-
ломленная
волна
отсутствует
и
свет
полностью
отражается
от
поверхности
оптически
менее
плотной
среды
.
Это
явление
называется
полным
внутренним
отражением
.
Отраженная
вол
-
на
при
этом
приобретает
фазовый
сдвиг
,
зависящий
от
угла
па
-
дения
.
При
полном
внутреннем
отражении
электромагнитное
поле
световой
волны
частично
заходит
во
вторую
среду
,
где
экспоненциально
убывает
.
Круглый
диэлектрический
стержень
Простейшим
ВС
является
круглый
диэлектрический
стер
-
жень
,
показатель
преломления
которого
n
1
выше
,
чем
у
окру
-
жающей
среды
п
0
(
рис
. 11.13).
Пучок
световых
лучей
реального
источника
конечных
размеров
преобразуется
на
торце
ВС
в
два
типа
лучей
:
меридио
-
283
нальные
,
которые
пересекают
ось
световода
,
и
косые
,
которые
эту
ось
не
пересекают
.
Часть
меридиональных
и
косых
лучей
,
испытывая
полное
внутреннее
отражение
в
местах
падения
на
границу
стержень
–
окружающая
среда
,
распространяется
вдоль
ВС
по
зигзагообразным
путям
.
Световые
волны
,
которые
изо
-
бражаются
этими
лучами
,
многократно
отражаясь
от
границы
,
накладываются
сами
на
себя
и
образуют
направляемые
волны
(
моды
).
Поле
направляемых
мод
частично
проникает
в
окру
-
жающую
среду
,
где
экспоненциально
убывает
.
Остальные
лучи
,
которые
падают
на
границу
под
углами
кр
φ φ
,
<
уходят
из
стержня
в
окружающую
среду
.
Так
образуются
волны
(
моды
)
излучения
–
рассеянный
свет
.
Рис
. 11.13.
Прохождение
меридиональных
лучей
по
диэлектрическому
стержню
Рассмотрим
ход
меридиональных
лучей
,
падающих
на
входной
торец
ВС
и
распространяющихся
затем
вдоль
стержня
(
рис
. 11.13).
Луч
,
падающий
под
углом
θ
,
преломляется
под
уг
-
лом
θ
1
,
который
в
соответствии
с
законом
преломления
опреде
-
ляется
выражением
0
1
1
sin
θ
sin
θ
.
n
n
=
(11.2)
Преломленный
луч
падает
на
боковую
поверхность
под
уг
-
лом
1
φ π
2
θ
.
=
−
Для
полного
внутреннего
отражения
лучей
от
боковой
поверхности
необходимо
выполнение
условия
кр
φ φ
≥
,
284
где
кр
φ
–
критический
угол
падения
,
определяемый
выражением
(11.1).
Следовательно
,
1
0
1
sin
φ
cos
θ
.
n n
=
≥
Из
(11.2)
2
2
2
0
1
1
1
cos
θ
1 sin
θ
1
sin
θ
n
n
=
−
=
−
.
Таким
образом
,
2
2
0
0
1
1
1
sin
θ
n
n
n
n
−
≥
или
2
2
1
0
sin
θ
1
n
n
−
≥
.
Однако
2
sin
θ
1
≤
,
т
.
е
.
(
)
2
1
0
2
n n
≥
.
Следовательно
,
если
1
0
2 ,
n n
≥
(11.3)
то
любой
меридиональный
луч
,
падающий
на
входной
торец
ВС
,
распространяется
вдоль
стержня
,
образуя
направляемую
моду
.
Условие
(11.3),
которое
справедливо
и
для
косых
лучей
,
легко
реализуется
на
практике
.
Например
,
кварцевый
стержень
(
n
1
= 1,46)
в
воздухе
(
n
0
= 1)
будет
направлять
все
световые
лу
-
чи
,
падающие
на
его
торец
.
Однако
,
несмотря
на
это
,
казалось
бы
,
очевидное
преимущество
,
такой
световод
в
оптических
ка
-
белях
не
применяется
.
Обусловлено
это
следующими
причина
-
ми
.
Стеклянные
ОВ
,
имеющие
диаметр
порядка
сотых
долей
миллиметра
(
сотен
микрон
),
для
повышения
механической
прочности
и
защиты
от
внешних
воздействий
обычно
помещают
внутрь
защитного
полимерного
покрытия
.
Иногда
внутрь
такого
защитного
чехла
помещают
пучок
ОВ
.
В
местах
соприкоснове
-
ния
волокон
между
собой
и
с
защитным
покрытием
нарушается
условие
полного
внутреннего
отражения
,
и
возникают
моды
из
-
лучения
,
которые
являются
причиной
дополнительных
потерь
.
Кроме
того
,
на
боковой
поверхности
ОВ
возможны
различные
царапины
.
Любое
повреждение
поверхности
приводит
к
возник
-
285
новению
рассеянного
света
,
поскольку
лучи
в
областях
повреж
-
дений
не
испытывают
полного
внутреннего
отражения
,
а
выхо
-
дят
из
волокна
.
Указанные
нежелательные
эффекты
можно
предотвратить
или
существенно
ослабить
,
если
покрыть
волокно
оболочкой
из
оптически
прозрачного
материала
с
показателем
преломления
п
2
более
низким
,
чем
показатель
преломления
центральной
части
,
которую
обычно
называют
сердцевиной
.
При
соответствующем
выборе
радиуса
оболочки
электромагнитное
поле
на
ее
внешней
границе
будет
практически
отсутствовать
.
Этим
достигается
почти
полная
концентрация
в
волокне
передаваемой
световой
энергии
и
исключается
искажение
поля
соседними
волокнами
и
защитным
покрытием
.
Наличие
оболочки
на
ОВ
позволяет
обеспечить
оптимальное
соотношение
между
n
1
и
п
2
.
Выбор
это
-
го
соотношения
в
значительной
мере
зависит
от
назначения
и
области
применения
оптического
кабеля
и
определяется
различ
-
ными
факторами
.
Например
,
увеличивая
разность
между
n
1
и
п
2
,
можно
существенно
повысить
эффективность
ввода
излучения
источника
в
световод
и
в
соответствии
с
(11.3)
при
1
0
/
2
n
n
≥
сделать
ее
максимальной
.
С
другой
стороны
,
искажение
(
уши
-
рение
)
импульсных
сигналов
в
световоде
оказывается
тем
меньше
,
чем
ближе
к
единице
отношение
п
1
/
п
2
.
Do'stlaringiz bilan baham: |
