Принцип действия оптических волокон

 

Простейший световод представляет собой оптически прозрачный круглый диэлектрический стержень, называемый сердцевиной, окруженный оптически прозрачной диэлектрической оболочкой (рис.1)

У сердцевины показатель преломления n₁ больше, чем показатель преломления у оболочки n_2. В зависимости от технологии изготовления волокна показатель преломления может изменяться либо плавно, либо скачкообразно, В первом случае волокна называют градиентными, во втором - ступенчатыми. При изготовлении оптического волокна добиваются оптимального соотношения между n₁ и n_2, так как, как будет показано ниже, увеличивая разность между n₁ и n_2, можно существенно повысить эффективность ввода излучения источника в световод. Оболочку волоконных световодов изготовляют из чистого кварцевого стекла SiO₂, а показатель преломления сердцевины повышают присадкой германия или фосфора. В последнее время все более широкое применение находят оптические волокна из многокомпонентных стекол и полимеров. Их используют при дешевом массовом производстве световодов среднего качества, для обеспечения связи на коротких расстояниях. Снаружи волокно покрывают слоем полиэтилена для защиты от механических повреждений. Торцы стекловолокна шлифуют и к ним присоединяют источник излучения. В качестве источников излучения в оптических линиях связи используют светодиоды и п/п лазеры.

При передаче света по волоконным световодам используется принцип полного внутреннего отражения, который выполняется при условии, что n₁> n₂ и, угол падения лучей на границу раздела двух сред такой, что угол преломления стремиться к 90⁰. На рис.2 показано распространение излучения в цилиндрическом световоде при разных углах падения.

 

 

Рис.2 Распространение излучения в цилиндрическом световоде (показатель преломления сердцевины n₁,показатель преломления оболочки n₂):

а) j_п < j_АП; б) j_п  = j_АП; в) j_п > j_АП

 

При некотором угле падения _п будет наблюдаться преломленный луч _пр. Если световой луч падает на торец световода под небольшим углом к оптической оси, то преломленный луч будет испытывать полное внутреннее отражение на границе раздела сердцевины и оболочки (рис.2а). Увеличение угла падения приводит также к увеличению угла преломления и, при некотором критическом угле, преломленный луч будет падать на границу раздела сердцевины и оболочки так, что полное внутреннее отражение будет нарушаться и луч будет распространяться вдоль границы раздела (рис.2б). Дальнейшее увеличение угла падения приведет к тому, что излучение будет выходить в оболочку (рис.2в) и световая энергия будет поглощаться там. Угол падения, начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сердцевина-оболочка, называется апертурным.

Для создания эффекта полного внутреннего отражения необходимо обеспечить различие показателей преломления вблизи наружной поверхности сердцевины. Различие показателей преломления можно обеспечить двумя способами.

По первому способу показатель преломления изменяется ступенчато. В этом случае показатель преломленя сердцевины остается постоянным по сечению и показатель преломления оболочки тоже постояннен, но отличен от показателя преломления сердцевины в оптимальном случае в 1,4 раза. По второму способу показатель преломления сердцевины плавно убывает от центра к периферии, такое волокно называется градиентным.

Рассмотрим распространение излучения в волокне в приближении геометрической оптики.

В ступенчатом волокне лучи, падающие под углами меньше апертурного угла, испытывают многократное отражение от границы раздела сердцевины и оболочки (рис.3а).

 

Рис.3 Типы оптического волокна: а) ступенчатое многомодовое; б) градиентное многомодовое; в) одномодовое.

 

 Световые импульсы, передаваемые по ступенчатому волокну удлиняются из-за того, что лучи, идущие под малыми углами к оптической оси, распространяются быстрее, чем лучи, идущие под большими углами. Такое явление ограничивает максимальную частоту следования импульсов и, следовательно, уменьшает скорость передачи информации по волокну. Чтобы избежать этого были разработаны градиентные волокна с плавным изменением показателя преломления (рис.3б).

Однако в градиентном волокне также существует ограничение на скорость передачи информации. Это связано с тем, что источники излучения (светодиоды и п/п лазеры) излучают не строго монохроматический свет. Каждый луч с длиной волны из некоторого диапазона, называемого спектром излучения источника, распространяется по волокну с различной скоростью. Это, на больших расстояниях (>100 км), приводит к удлинению светового импульса, передаваемого по оптическому волокну.

Чтобы преодолеть этот недостаток, были разработаны ступенчатые волокна с очень малым диаметром сердцевины. Распространение излучения в таком волокне уже нельзя описывать в приближении геометрической оптики, нужно учитывать волновые свойства света.

Учет волновых свойств позволил установить, что из всего множества световых лучей в пределах апертурного угла для данного световода, только ограниченное число лучей с дискретными углами могут образовывать направляемые волны, которые называются волноводными модами. Эти лучи характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений от границы "сердцевина-оболочка" волны должны быть в фазе. Если это условие не выполняется, то волны интерферируют так, что гасят друг друга и затухают. Электромагнитная волна, рапространяющаяся в волокне без затухания называется модой волокна. Она является решением уравнения Максвелла для данного диэлектрического световода. На рис.3 представлены также геометрические параметры многомодовых и одномодовых оптических волокон.

Для источников излучения близкого ИК диапазона в волоконных световодах толщиной от 1 до 10 мкм распространяется только одна мода - одно колебание. В более толстых - от 10 до 1000 мкм световодах может распространяться несколько колебаний (мод).

Необходимо отметить, что вследствие малого диаметра сердечника одномодовых волокон, затруднено соединение их друг с другом и введение в них излучения лазера.

Поляризация излучения и фаза на выходе волокна случайны из-за многократного отражения внутри оптических волокон. Для сохранения поляризации используют особые волокна с эллиптической сердцевиной или с напряженными областями оболочки вдоль цилиндрической сердцевины. Такие волокна применяются для когерентной волоконно-оптической связи.