Распределение света по оптическому волокну

Два подхода к объяснению процесса распространения света в оптических волокнах. Исходя из двойственной природы света, процесс распространения светового излучения в световодах можно изучать, используя методы геометрической оптики (лучевой подход) или волновые уравнения электромагнитного поля (электромагнитный подход). Для расчета электромагнитных процессов в световодах используют ряд математических моделей, отличающихся друг от друга сложностью математического аппарата и наглядностью. Лучевой подход основан на представлении источника излучения и светового луча соответственно в виде точки и линии. Лучевой подход наглядно показывает процессы распространения света по световодам, однако им можно пользоваться только при соблюдении условия малости длины волны по сравнению с радиусом сердцевины волокна. Поэтому лучевой моделью можно пользоваться при изучении распространения света в многомодовых волокнах, где указанное условие соблюдается.

В случае одномодовых волокон требуется электромагнитный подход, т.е. решение волновых уравнений при заданных граничных условиях.

При лучевом подходе распространение света по волокну трактуется как различные траектории лучей. При электромагнитном подходе этим лучам соответствуют различные типы волн (моды). Термин мода представляет собой физическое и математическое понятие, связанное с определенным типом электромагнитной волны. Мода оптического волокна, как физическое понятие характеризует тип волны оптического излучения, распространяющегося по ОВ и характеризующегося определенной структурой поля в его поперечном сечении и определенной фазовой скоростью. С математической точки зрения мода - каждое из решений волновых уравнений. В зависимости от размеров и физических характеристик световода в нем возможно распространение нескольких мод или только одной моды. Электромагнитный подход, как более общий, дает ответы на вопросы, которые невозможно получить в рамках лучевого подхода, например, объяснение природы волноводной дисперсии.

Как фактически распространяется свет по ОВ лучше всего объяснить, используя закономерности геометрической оптики и закон Снеллиуса. Упрощенно можно сказать, что когда свет переходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, преломленный луч отклоняется от нормального. Это, например, происходит тогда, когда луч из воды выходит в воздух, отклоняясь от нормального луча на границе раздела между двумя средами. Чем больше становится угол падения на границу раздела, тем больше отклоняется преломленный луч от нормального луча, до тех пор пока преломленный луч не достигает угла в 90°, по отношению к нормальному, и начинает скользить по поверхности раздела. Рисунок 7 демонстрирует картину при различных углах падения. Рисунок 7(a) показывает такой угол падения, при котором преломленный луч полностью уходит в свободное пространство. Рисунок 7(б) показывает такой угол падения, который называется критическим, когда преломленный луч начинает скользить по границе раздела. Рисунок 7(b) демонстрирует случай полного внутреннего отражения (ПВО). Это происходит тогда, когда угол падения превышает критический. Стеклянное ОВ, используемое для целей передачи света, требует использования полного внутреннего отражения.

Другое свойство ОВ, характерное для определенной длины волны, нормализованная частота V:

, (1)

где а - радиус сердцевины, п2 для ОВ без оболочки = 1, Δ = (п1 - п2)/пr

Рисунок 7- Путь лучей для нескольких углов падения, п1 > п2, где п1 и п2 - показатели преломления двух различных сред

Член в уравнении называется числовой апертурой (NA). В сущности, числовая апертура используется для того, чтобы описать светособирающую способность волокна. Фактически, количество оптической мощности, воспринимаемой ОВ изменяется пропорционально квадрату NА. Интересно заметить, что числовая апертура ОВ не зависит от его физических размеров.

Читайте также

Проект устройства со световыми эффектами на основе микроконтроллера ATtiny12 семейства AVR фирмы Atmel
Популярность микроконтроллеров ATtiny постоянно увеличивается. Не последнюю роль в этом играет соотношение показателей «цена/ быстродействие/ энергопотребление», являющееся одним из ...

Проект оконечной ОС на базе системы DX200
Современное состояние и перспективные планы развития Единой Сети Электросвязи (ЕСЭ) Российской Федерации характеризуются широким внедрением цифровых технологий и оборудования цифровых си ...

Проектирование системы автоматического управления очистки стекла спортивного самолета
Задачи по управлению тем или иным явлением или процессом, возникающие в повседневной практической деятельности человека обширны и многообразны. Управление можно определить как совоку ...