ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СВЕТОВОДОВ. ТИПЫ СВЕТОВОДОВ.

Волоконный световод представляет собой тонкую двухслойную стеклянную нить (сердечника и оболочки), каждый элемент которой обладает различным показателем преломления. Показатель преломления (n) прозрачного вещества представляет собой отношение скорости света в вакууме (с) к скорости света в данном веществе (v), то есть n=c/v. Кроме того, показатель преломления зависит от параметров среды и рассчитывается по формуле:

                 ,

где  и  - относительные соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости.

Учитывая, что относительная магнитная проницаемость прозрачного вещества обычна постоянна и равна единице, показатель преломления определится: для сердечника , для оболочки  . Показатель преломления оболочки постоянен, а сердечника в общем случае является функцией поперечной координаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления.

Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред, поэтому необходимо, чтобы n₁>n2.</sub>

Рассмотрим случай, когда луч света, распространяющийся в среде с показателем преломления n₁, встречает границу раздела со средой, имеющей меньший показатель преломления n₂ (рис. 4).

В соответствии с законом Снеллиуса , угол  в среде с меньшим показателем преломления больше, чем угол падения  . При возрастании  возрастает и , и поскольку больше  ,  станет равным 90⁰ раньше, чем . Угол падения, для которого преломленный луч скользит по поверхности раздела ( то есть,  для которого =90⁰), называется углом  полного внутреннего отражения. Угол полного внутреннего отражения рассчитывается по формуле (см. закон Снеллиуса, полагая, что =90⁰):

                                    .

Если угол падения больше (луч 3), то луч не заходит во вторую среду, а полностью отражается вовнутрь первой среды.  Именно этот принцип полного внутреннего отражения позволяет оптическим волокнам проводить свет.

Такое объяснение направляемости света основано на законах геометрической оптики и не учитывает свойств света как электромагнитной волны. Учет волновых свойств позволил установить, что из всей совокупности световых лучей в пределах угла полного внутреннего отражения для данного световода только ограниченное число лучей с дискретными углами может образовывать направляемые волны, которые называют также волноводными модами. Эти лучи характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений от границы сердцечник-оболочка волны должны быть в фазе. Если это условие не выполняется, то волны интерфирируют так, что гасят друг друга и исчезают.  Каждая волноводная мода обладает характерной для нее структурой электромагнитного поля, фазовой и групповой скоростями.

Волны излучения рапределяются непрерывно по всей принадлежащей им области углов и образуют непрерывный спектр. Волны оболочки и волны излучения - паразитные волны, которые отбирают энергию источника возбуждения и уменьшают полезную энергию, передаваемую по сердечнику. Эти волны трудно полностью исключить при возбуждении световода. Кроме того, они также возникают на геометрических нерегулярностях световода и неоднородностях материала.

В зависимости от числа распространяющихся на рабочей частоте волн (мод) световоды разделяют на одно- и многомодовые.  Число мод зависит от соотношения диаметра сердечника световода и длины волны и рассчитывается по формуле      ,

где   а- радиус сердечника волокна,

        - длина волны света,

     - относительная разность показателей преломления.

        .

Так как n₁ и n₂ имеют очень близкие значения, номинальная величина  для большинства оптических волокон находится в пределах  = 0,28 - 2,1%.

Достоинством одномодовых световодов являются малая дисперсия (искажение сигналов), большая информационно-пропускная способность и большая дальность передачи. Одномодовые системы являются наиболее перспективным направлением развития техники передачи информации.

В многомодовых световодах импульс на приеме уширяется и искажается. Дисперсия в многомодовых световодах существенно ограничивает полосу передаваемых частот и дальность передачи.

Для характеристик световода важное значение имеет профиль показателя преломления в поперечном сечении. Если сердечник световода имеет постоянное по радиусу значение показателя преломления, то такие световоды называются световодами со ступенчатым профилем показателя преломления (наблюдается  ступенька n на границе сердечник-оболочка).

Для борьбы с уширением импульсов в оптических волокнах со ступенчатым профилем показателя преломления разработан другой тип многомодового волокна, который нашел гораздо более широкое применение в дальней связи - оптические волокна с градиентным профилем показателя преломления. В таких стекловолокнах показатель преломления от центра сердечника к краю изменяется плавно. Ход лучей в градиентном световоде показан на рис. 6.

Лучи теперь изгибаются в направлении градиента показателя преломления (вместо преломления либо полного отражения, как в случае волокна со ступенчатым профилем).

В  показатель преломления для градиентных световодов описывается функцией

                               ,

где r - текущий радиус;

       n₁ - наибольшее значение показателя преломления сердечника;

       g - коэффициент, определяющий вид профиля показателя преломления.

При g= формула описывает ступенчатый профиль показателя преломления. При g=2 световоды называют параболическими, так как профиль показателя преломления описывается параболой. На практике волокна с градиентным профилем показателя преломления имеют g около 1.92 и почти параболический профиль.

Одномодовые волокна можно разделить на две категории: обычные или волокна с несмещенной дисперсией, которые выпускаются для аппаратуры, работающей на длине волны 1,3 мкм, и волокна со смещенной дисперсией, которые выпускаются для работы на длине волны 1,55 мкм. Понятия смещенной или несмещенной дисперсии связаны с длиной волны, на которой волокно имеет наибольшую полосу пропускания.

В отличии от многомодовых волокон, одномодовые волокна выпускают с различным профилем показателя преломления оболочки. При этом различают волокна с выровненной оболочкой,  показатель преломления которой соответствует показателю преломления стекловолокон со ступенчатым профилем и выровнен с показателем преломления чистого кварца, и вдавленной оболочкой, в которой материал оболочки состоит из двух зон (рис. 7). Показатель преломления (n₃) внутренней, соседней с сердечником зоны имеет значение меньше или вдавлен относительно показателя преломления внешней зоны, который равен показателю преломления чистого кварца (n₂).

В волокнах со смещенной дисперсией показатель преломления сердцечника имеет более сложную форму. На рис. 8 приведены примеры профилей показателей преломления для выровненной и вдавленной оболочками и труегольным профилем показателя преломления сердечника.

В одномодовых волокнах со смещенной дисперсией для сложных профилей показателя преломления определение диаметра сердечника представляет определенные трудности, поэтому для таких световодов вводится понятие диаметра поля моды. Учитывая, что интенсивность света по сечению сердечника одномодового световода распределена неравномерно и подчиняется, как правило, нормальному закону, то радиальное расстояние, на котором интенсивность падает в 1/е² = 0,135 относительно пикового значения называется радиусом поля моды и обозначается . Удвоенная величина 2 и представляет собой диаметр поля моды (рис. 9). 

Важной характеристикой световода является числовая апертура NA (Numerical Aperture), которая представляет собой синус от апертурного угла . Апертурный угол - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, воздействующего на торец световода.

Таким образом   ,

где n₀  - показатель преломления окружающей среды.

В соответствии с законом Снеллиуса , имеем

От значения NA зависят эффективность ввода излучения лазера или светодиода в световод, потери на микроизгибах, дисперсия иимпульсов, число распространяющихся мод.

Нетрудно убедиться, что между числовой апертурой и относительной разностью показателей преломления существует связь

Чем больше у волокон , тем больше NA, чем легче осуществлять ввод излучения от источников света в световод.