Название: Оптико-волоконные системы связи - Учебное пособие (Нечаев В.Г.)

Жанр: Технические

Просмотров: 1474


2.2. распространение световых лучей в оптических волокнах

В общем случае оптическое волокно состоит из сердцевины, по которой происходит распространение световых волн, и оболочки, предназначенной, с одной стороны, для создания лучших условий отражения на границе раздела «сердцевина – оболочка», а с другой – для снижения излучения энергии в окружающее пространство. Такая конструкция ОВ является типовой и используется во многих ОВ в качестве базовой.

Как было отмечено выше, лучи света распространяются в ОВ при выполнении условий n1>n2 в связи с чем для характеристики волокна используется соотношение, которое принято называть относительной разностью показателей преломления А=(n1-n2)/2n12 и которое для большинства ОВ равно A=10-2...10-3. Eсли показатель преломления оболочки имеет постоянное значение, то показатель преломления сердцевины может либо быть постоянным, либо изменяться вдоль радиуса по определенному закону. Характер изменения показателя преломления ОВ вдоль радиуса называется профилем показателя преломления. Для произвольного степенного изменения профиля показателя преломления закон изменения n(r) по радиусу определяется выражением

                               (2.2)                                       

где r – текущий радиус; R – радиус сердцевины; n1 – показатель преломления в центре сердцевины, равный примерно 1,5; q – показатель степени, определяющий изменение n(r), меняется от l до ∞ ;  Δ=0.003 ÷ 0.01.

Очевидно, что при q = ∞ профиль показателя преломления определяется как n(r) = n1 при r<R и n2 при r>R и соответствует ступенчатому волокну, а при q = 2 – волокну с наиболее распространенным параболическим профилем показателя преломления, для которого

                            (2.3)

 Выбор соотношения между n1 и n2 определяется различными факторами в зависимости от назначения и области применения ОВ. Кроме того, ступенчатые ОВ могут иметь и несколько отражающих оболочек, например так называемое волокно W – типа, с сердцевиной из материала с показателем преломления, окруженной двумя оболочками, первая из которых имеет показатель преломления n2 а вторая n3 , причем   n1>n2>n3.

Процесс распространения световых лучей в оптически более плотной среде, окруженной менее плотной, в рамках геометрической оптики, показан на рис. 2.2.

При попадании светового излучения на торец ОВ в нем могут распространяться три типа световых лучей: направляемые, вытекающие и излучаемые. Наличие и преобладание какого-либо типа лучей определяется углом их падения на границу раздела «сердцевина – оболочка». Очевидно, что при некотором угле падения лучей на торец волокна, угле ввода qв, оптического излучения в ОВ и их дальнейшем попадании на границу раздела на ней может иметь место полное внутреннее отражение. Лучи, которые падают на границу раздела под углом  q > qв (лучи 1, 2 и 3), отражаются от нее и вновь возвращаются в сердцевину волокна, распространяясь в ней, и не претерпевают преломления. Так как траектории таких лучей полностью расположены внутри среды распространения – сердцевины волокна, они распространяются на большие расстояния и называются направляемыми, являясь основным типом лучей в сердцевине ОВ.

 

Рис. 2.2. Распространение излучения по волокну

     Лучи, падающие на границу раздела под углами q < qкр (лучи 4), носят название вытекающих лучей (лучей оболочки). Достигая границы «сердцевина – оболочка», эти лучи отражаются и преломляются, теряя каждый раз в оболочке волокна часть энергии, в связи с чем исчезают вовсе на некотором расстоянии от торца волокна. Лучи, которые излучаются из оболочки в окружающее пространство (лучи 5), носят название излучаемых лучей. Очевидно, что излучаемые и вытекающие волны – это паразитные волны, приводящие к рассеиванию энергии и искажению информационного сигнала.