Распространение света по волокну

Основными факторами, влияющими на характер распространения света в волокне, наряду с длиной волны излучения, являются: геометрические параметры волокна; затухание; дисперсия.

Геометрические параметры волокна

Относительная разность показателей преломления. Волокно состоит из сердцевины и оболочки. Оболочка окружает оптически более плотную сердцевину, являющуюся светонесущей частью волокна. Будем обозначать через n₁ и n₂ показатели преломления сердцевины и оболочки, соответственно. Один из важных параметров, который характеризует волокно, это — относительная разность показателей преломления Δ: Δ=(n²₁-n²₂)/2n²₁

Если показатель преломления оболочки выбирается всегда постоянной величиной, то показатель преломления сердцевины в общем случае может зависеть от радиуса. В этом случае для проведения различных оценок параметров волокна в место n₁ используют n_1eff.

Распространение света по волокну можно объяснить на основе принципа полного внутреннего отражения, вытекающего из закона преломления света Снеллиуса: n₁sinΘ₁ = n₂sinΘ₂
где n₁ — показатель преломления среды 1, Θ₁— угол падения, n₂ — показатель преломления среды 2, Θ₂ — угол преломления.

Формальные выкладки удобнее производить для ступенчатого волокна (волокна со ступенчатым профилем показателя преломления), в котором показатель преломления сердцевины является постоянной величиной (n2 =const). На рис. 2.2 показан ход лучей в таком волокне. Так как сердцевина является оптически более плотной средой по отношению к оболочке (n1 > n2), то существует критический угол падения ΘC — внутренний угол падения на границу, при котором преломленный луч идет вдоль границы сред (Θ2 = 90°). Из закона Снеллиуса легко найти этот критический угол падения: Θ_c =arcsin(n₂/n₁).

Если угол падения на границу раздела меньше критического угла падения (луч 2), то при каждом внутреннем отражении часть энергии рассеивается наружу в виде преломленного луча, что приводит в конечном итоге к затуханию света. Если же угол падения больше критического угла (луч 1), то при каждом отражении от границы вся энергия возвращается обратно в сердцевину благодаря полному внутреннему отражению.

Лучи, траектории которых полностью лежат в оптически более плотной среде, называются направляемыми. Поскольку энергия в направляемых лучах не рассеивается наружу, такие лучи могут распространяться на большие расстояния.

Числовая апертура. Важным параметром, характеризующим волокно,
является числовая апертура NA. Она связана с максимальным углом ΘA вводимогов волокно излучения из свободного пространства, при котором свет испытывает полное внутреннее отражение и распространяется по волокну, формулой: NA = sin θA

Фирмы-изготовители волокна экспериментально измеряют угол 9д и указывают соответствующее значение числовой апертуры для каждого поставляемого типа волокна.

Нормированная частота. Другим важным параметром, характеризующим волокно и распространяющийся по нему свет, является нормированная частота V, которая определяется как V=π⋅d⋅NA/λ

Номенклатура мод. При более строгом рассмотрении процесса распространения света по волокну следует решать волновые уравнения Максвелла. Именно в этой трактовке лучи ассоциируются с волнами, причем различные типы волн — решения уравнений — называются модами.

По волокну могут распространяться как только одна мода — одномодовый режим, так и много мод — многомодовый режим. Многомодовый или одномодовый характер идущего по волокну света коренным образом влияет на дисперсию, а следовательно, и на пропускную способность волокна. Отметим, что нормированная частота явно зависит от длины волны света.

На рис. 2.3 показана общая картина распространения света по разным типам
световодов: многомодовому ступенчатому, многомодовому градиентному, и
одномодовому ступенчатому волокну.