2.3. Типы волоконных световодов и принцип их действия
Основным элементом оптического кабеля является волоконный световод, выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, по которому осуществляется передача микронных длин волн, что соответствует диапазону частот 10 14 . 10 15 Гц.
Оптическое волокно, как правило, имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления
Оптические волокна классифицируются на две группы: одномодовые имногомодовые, причем последние подразделяются наступенчатые иградиентные (рис. 2.7).
В одномодовых ОВ диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны (d ) и по нему передается лишь один луч — тип волны (мода). В многомодовых ОВ диаметр сердцевины больше, чем длина волны(d ), и по нему распространяется большое число лучей (мод). Практически сердцевина ОВ составляет 8. 10 мкм у одномодовых и 50 мкм у многомодовых волокон. Снаружи располагается двухслойное покрытие: лаковое (эпокснакрилат) и полимерное (фторопласт, нейлон).
Рис. 2.7. Волоконные световоды:
ступенчатые, многомодовые (а); градиентные (б); одномодовые (в)
Как видно из рис. 2.7, ход лучей в различных ОВ различен. В ступенчатом многомодовом волокне лучи резко отражаются от границы сердцевина—оболочка. Причем пути следования различных лучей различны, и поэтому они приходят к концу линии со сдвигом по времени. Это приводит к искажению передаваемого сигнала (дисперсии).
Градиентные ОВ также являются многомодовыми. Однако здесь лучи распространяются по волнообразным траекториям, и поэтому они с меньшим разбросом по времени приходят к концу линии.
Одномодовые ОВ обладают наилучшими характеристиками, так как здесь распространяется только один луч.
Для параболического распределения показателя преломления закон изменения n2 по радиусу определяется выражением
где r — текущий радиус;а — радиус сердцевины;n0— показатель преломления в центре сердцевины (примерно 1,5); —соотношение показателей преломления. Значения приn1=1,51 и различных величинахn2
приведены в табл. 2.4.
Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии, назначение оболочки в основном для создания лучших условий отражения на границе сердцевина—оболочка и защиты от излучения энергии в окружающее пространство.
2.4. Апертура волоконного световода
Апертура — это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения.
Учитывая, что в световоде границей раздела сред сердцевина — оболочка являются прозрачные стекла, возможно не только отражение оптического луча, но и проникновение его в оболочку. Для предотвращения перехода энергии в оболочку и излучения в окружающее пространство необходимо соблюдать условие полного внутреннего отражения и апертуру. Реализация этого условия применительно к двухслойному световоду показана на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Прохождение лучей в световоде
По законам геометрической оптики в общем виде на границе сердечник— оболочка будут падающая волна с углом φп, отраженная с углом φ0и преломленная волна с углом φпр(рис. 2.8, точкаА). Известно, что при переходе из среды с большей плотностью в среду с меньшей плотностью, т. е. приn1>n2, волна при определенном угле падения полностью отражается и не переходит в другую среду (рис. 2.8, точкаВ). Угол падения φп, начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сред, т. е. при φп= θВ, называетсяуглом полного внутреннего отражения:
где μ и ε — соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемости сердечника (μ1, ε1) и оболочки (μ2, ε2). При φп=θвпреломленный луч проходит вдоль границы раздела сердцевина—оболочка и не излучается в окружающее пространство (рис. 2.8, луч2 в точкеБ).
При φп<θвэнергия, поступившая в сердечник, полностью отражается и распространяется по световоду (рис. 2.8, луч3 в точкеВ). Чем больше угол падения волны, т. е. φп>θвв пределах от θвдо 90°, тем лучше условия распространения и тем быстрее волна придет к приемному концу. В этом случае вся энергия концентрируется в сердечнике световода и практически не излучается в окружающую среду. При падении луча под углом, меньшим угла полного отражения, т. е. φп<θвэнергия проникает в оболочку, излучается во внешнее пространство и передача по световоду неэффективна (рис. 2.8, луч / в точкеА).
Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец волоконного световода. Как видно из рис. 2.9, световод пропускает, лишь свет, заключенный в пределах телесного угла θа, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения θвЭтот телесный угол θахарактеризуется числовой апертурой . Значения числовой апертуры приn1=1,51 в различных значенияхп2 приведены в табл. 2.5. В действующих технических условиях .