Принцип действия волоконного световода. Типы лучей. Понятие моды.

Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред, поэтому необходимо, чтобы n₁>n₂. Разность показателей преломления на границе «сердцевина – оболочка» составляет 1–0,1%. Оболочка защищает распространяющийся по сердцевине свет от любых внешних воздействий и помех.

В зависимости от величины угла θ (тета), который образует с осью лучи, выходящие из точечного источника в центре торца световода, возникают лучи излучения 1, лучи оболочки 2 и лучи сердцевины 3:

Рисунок 1.3 – Принцип действия волоконного световода

Типы лучей. В сердцевине существуют два типа лучей: меридиональные - пересекаются в некоторой точке с осью световода и косые - с осью световода не пересекаются. На рисунке 1.3 есть меридиональные лучи.

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

Моды - световые волны, которые образуются направляемыми лучами, многократно отражаясь от границы "сердцевина – оболочка", накладываются сами на себя и образуют направляемые волны (моды). Т.е., мода - вид траектории, вдоль которой распространяется свет.

Типы волокна.

Оптическое волокно – это сочетание стеклянного волокна с защитным покрытием, являющимся конструктивным элементом.

Термины «оптическое волокно» и «волоконный световод» - синонимы.

Волокно, в котором распространяется несколько мод, называется многомодовым (ММ), а в котором одна мода - одномодовым (ОМ). В ММ волокне диаметр сердцевины больше длины волны (d_c>>λ), а в ОМ - соизмерим с длиной волны (d_c≈λ). Международный стандарт средств связи установил диаметр оболочки (d_об) волокна равным 125 мкм. Оболочка изготавливается из кварцевого стекла (SiO₂) с n₂=1,45, а сердцевина – из кварцевого стекла с добавками GeO₂ или P₂O₅. Для промышленно выпускаемых световодов ОМ волокно имеет диаметр сердцевины 7–10мкм, а ММ волокно – 50–65,5мкм.
Три основных типа волокон: ступенчатое ММ, градиентное ММ и ступенчатое ОМ волокно (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Поперечное сечение и ППП ступенчатого многомодового (а), градиентного многомодового (б) и ступенчатого одномодового (в) волокна

Лучевой принцип распространения электромагнитной энергии по ступенчатому ММ, градиентному ММ и ступенчатому ОМ волокну.

Рисунок 1.5 – Лучевой принцип распространения электромагнитной энергии по ступенчатому многомодовому (а), градиентному многомодовому (б) и ступенчатому одномодовому (в) волокну

Лучи света входят в сердцевину волокна с торца и удерживаются за счёт полного внутреннего отражения внутри сердцевины (рисунок 1.5,а), или изгибаются в направлении градиента показателя преломления (рисунок 1.5, б).