Процессы распространения излучения в волоконном световоде

Волоконный световод представляет собой тонкое стеклянное волокно цилиндрической формы, по которому происходит передача электромагнитного излучения оптического (обычно ближнего инфракрасного) диапазона длин волн, соответствующего частотам 10¹⁴ ¸ 10¹⁵ Гц.

Принцип действия волоконного световода основан на использовании известных процессов отражения и преломления оптической волны на границе раздела двух сред с различными оптическими свойствами. Оптические свойства материала зависят от показателя преломления n. Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной.

При падении луча на границу раздела двух сред в общем случае появляются преломленная и отраженная волны.

Согласно закону Снеллиуса угол падения φ_п связан с углами отражения φ_отр и преломления φ_пр следующим соотношением

φ_п = φ_отр

n₁ * sinφ_п = n₂ * sinφ_пр

Если луч выходит из оптически более плотной среды в менее плотную (n₁>n₂), то φ_пр > φ_п. По мере увеличения угла падения можно достичь такого состояния, когда преломленный луч начинает скользить по границе раздела двух сред без перехода в оптически более плотную среду. Угол падения, при котором наблюдается такой эффект, называется предельным углом полного внутреннего отражения φ_пво. Для всех углов падения, которые превышают предельный, будет иметь место только отражение, а преломленная волна будет отсутствовать. Это явление называется полным внутренним отражением, и оно положено в основу передачи оптического излучения по световоду.

Конструктивно волоконные световоды обычно имеют круглое поперечное сечение и образованы двумя основными элементами. В центре располагается сердцевина из оптически более плотного стекла, ее окружает оболочка из стекла с меньшей оптической плотностью. Диаметры сердцевины и оболочки принято измерять в микронах и указывать в технических характеристиках волокна в явном виде через знак косой черты следующим образом: ;"диаметр сердцевины"/"диаметр оболочки", например, 62,5/125 обозначает световод с диаметром сердцевины в 62,5 мкм и с оболочкой диаметром 125 мкм.

На границе раздела сердцевины и оболочки происходит отражение оптических лучей, которые распространяются вдоль оси световода. Таким образом, сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии, а оболочка предназначена для создания условий отражения на границе раздела двух сред и защиты от излучения энергии в окружающую среду.

Излучение внешнего источника, падающее на входной торец волоконного световода, возбуждает в нем несколько типов волн, которые называются модами. В свою очередь, моды делятся на направляемые, вытекающие и излучаемые.

К направляемым относятся такие моды, которые распространяются вдоль сердцевины волокна и обеспечивают передачу информации (лучи 1 и 2 на рис.7.).

Рис.7. Прохождение лучей в волоконном световоде

Направляемые моды считаются основным типом электромагнитной волны и возбуждаются теми лучами, которые падают на торец волокна под углом, не превышающим предельный угол Θ_А, называемый апертурным углом. Основные типы современных световодов имеют апертурный угол в пределах от 11,5 до 17 градусов.

Лучи, которые падают на торец волокна под углом, превышающим Θ_А, достигают границы раздела сердцевина-оболочка и за счет преломления в оболочку теряют часть энергии, испытывая при этом большое затухание (см. луч 3 на рисунке). Эти моды называются вытекающими.

Наконец, при падении лучей под углами, существенно превышающими Θ_А, часть из них достигает внешней поверхности оболочки и излучается в окружающее пространство (см. луч 4 на рисунке). Такие моды называются излучаемыми. Излучаемые моды возникают также в местах нерегулярностей световодов. Появление вытекающих и излучаемых мод приводит к росту потерь и искажению передаваемой информации.