Оптические явления на границе раздела двух сред

волоконный оптический связь волновод

В основе волноводного распространения света лежит эффект полного внутреннего отражения. Этот эффект наблюдается тогда, когда свет проходит из более плотной оптической среды в менее плотную. Закон Снеллиуса  дает угол полного внутреннего отражения .

Коэффициент преломления

 

Т=I1/I2,

 

где I1 и I2 - интенсивности преломленного и падающего света соответственно. Коэффициент отражения

 

R=I1/I2,

 

где I1 и I2 - интенсивности отраженного и падающего света соответственно. R+T = 1 при отсутствии потерь.

Поляризацией света называют направление колебания вектора Е.  - вектор Е перпендикулярен плоскости прохождения луча.  - вектор Е параллелен плоскости прохождения луча.

Е-перпендикулярная волна

Е-параллельная волна

Прохождение света из менее плотной среды в более плотную.

Е-перпендикулярная волна

Е-параллельная волна

Прохождение света из более плотной среды в менее плотную. На этом графике показан угол полного внутреннего отражения.

Так же на обоих графиках показан угол Брюстера, при котором коэффициент отражения Е-параллельной волны равен нулю.

При нормальном падении света

 

= = .

 

Полное внутреннее отражение

 

В условиях полного внутреннего отражения на границе двух сред световая волна не отражается в одной точке. Волна выступает за границу раздела сред на расстояние ∆х (явление сдвига Гуса-Генхе). Расстояние ∆х определяется как расстояние от поверхности раздела сред, на котором вектор волны Е угасает в е раз.

Е=Е0 , где α - коэффициент затухания

 

α=

 

Отраженная волна испытывает фазовый сдвиг.

 

Оптические волноводы

 

Возможность распространения света в волокне обусловлена эффектом полного внутреннего отражения, чтобы обеспечить полное внутреннее отражение, необходимо добиться того, чтобы n световода был больше n подложки.

Для волноводов с толщиной h больше λ применимы законы геометрической оптики. Для волноводов с толщиной h ≈ λ применимы законы волновой оптики.

Характеристическое уравнение волнового распространения в волноводе имеет вид

∆ φ(n')=δh-δ13-δ12=2πm (m=1,2,3….)

 

Это уравнение решается графическими или числовыми методами.

Решение характеристического уравнения - дискретные значения углов. Физический смысл дискретных решений - дискретные углы, при которых возможно распространение волны.

постоянная распространения.

N (m)= β(m)⁄к - волноводный показатель преломления

V (m)= N (m)⁄с - скорость волны в волноводе

 

m	0	1	2	3	4	…
Φ(m)	Φ₀	Φ₁	Φ₂	Φ₃	Φ₄	…
β(m)	β ₀	β ₁	β ₂	β ₃	β ₄	…
N(m)	N ₀	N ₁	N₂	N ₃	N ₄	…
V(m)	V₀	V₁	V₂	V₃	V₄	…

 

Волновая мода - особый тип волны, который при фиксированном значении угла φ может распространяться в данном волноводе. Для планарного волновода различают два типа волн: ТМm и ТЕm - Е-параллельная и Е-перпендикулярная соответственно, m - индекс моды. Индекс моды определяет количество узлов в волне в поперечном сечении среды распространения.