Особенности распространения световых волн в диэлектрическом волноводе

Пусть волновод представляет собой диэлектрический слой толщиной 2b с диэлектрической проницаемостью  и показателем преломления  (рисунок 6.6). Этот слой расположен между двумя полупространствами с диэлектрической проницаемостью  и показателем преломления .

Рисунок 6.6 Прохождение светового луча через границу раздела сред

Условия  являются необходимыми для распространения световых волн в волноводе, так как световой луч отклоняется в среде в сторону большего показателя преломления.

В общем виде, при прохождении света через границу раздела двух сред с коэффициентами преломления  и  значение критического угла падения луча на поверхность (α) можно определить с помощью известного соотношения:       

.                                        (6.8)                                  

Требование, чтобы световые волны отражались внутри сердцевины волокна под углом, большим критического, накладывает свои условия на входящий и исходящий свет на концах волокна, что отражено на приведенном рисунке 6.7. 

Рисунок 6.7 Траектория прохождения луча по световоду

На входе в волокно закон Снеллиуса (Снелла) принимает вид:         

,                                              (6.9)                                                  

где  - показатель преломления среды, смежной с концом волокна.

С учетом того, что в данном случае  можно получить следующие соотношения:

                                        (6.10)

.                     (6.11)

Параметр (NA) называется числовой апертурой волокна (это максимальный угол, под которым световая волна может входить в оптические волокна.), которая уменьшается по мере того, как значение  приближается к значению . В промышленных волокнах разность между ними не превышает одного процента, что определяет значение числовой апертуры в пределах: NA = 0,2 .

Увеличение разбаланса показателей преломления граничащих сред невыгодно из-за возрастания межмодовой дисперсии (расширение спектра импульса за счет взаимодействия мод колебаний луча между собой).

Чтобы свет распространялся вдоль оптического волокна, он должен входить в пределах конуса с половинным углом Θ при вершине (рис. 6.8).

Рисунок 6.8 Схема оптимального соединения световода с излучателем и приемником.

Этот угол определяет оптимальный конус приема сигнала. На выходе волокна должен существовать аналогичный конус, внутри которого будет сосредоточен выходящий свет. Эти два конуса определяют оптимальные положения относительно концов волокна, которые должен занимать источник и приемник света. Излучающая площадка источника света при этом должна быть меньше чем площадь поперечного сечения волокна и быть расположена вплотную к его концу. Чувствительная площадка приемника должна быть наоборот достаточно большой и располагаться так, чтобы принять весь свет, выходящий из волокна.

Данные рассуждения справедливы для волокон с диаметром более 10 мкм. Свет проходит через такие волокна различными путями, испытывая разное число отражений. Такие волокна относятся к многомодовым (диаметр волокна больше длины волны). Для волокон меньшего размера, чьи диаметры приближаются к длине волны передаваемого света, существенную роль начинают играть эффекты интерференции. Это приводит к уменьшению числа передаваемых мод. В наименьших по диаметру волокнах можно передавать только одну моду. При этом волна распространяется вдоль центральной оси волокна и называется меридиональным лучом. Такие одномодовые волокна предпочтительны для телеметрии на больших расстояниях, поскольку импульс света будет расширяться во времени при распространении света по множеству путей различной длины (суммарный ход отдельных лучей неодинаков, что приводит к ухудшению когерентности света). Расширение импульса (дисперсия) определяет верхний предел скорости передачи данных. Существуют и другие причины межмодовой дисперсии.

Альтернативой одномодовому волокну является волокно с градиентом показателя преломления. Оно имеет тот же диаметр, что и многомодовое, но свет, идущий по краям сердцевины, распространяется с большей скоростью, чем осевые лучи, за счет чего достигается компенсация дисперсии.

Для оптоволоконных систем были разработаны линзы с градиентом показателя преломления. Их используют при создании оптоволоконных датчиков. Линзы имеют форму стержней с диаметром от 1 до 5 мм, в то время как многомодовые и градиентные волокна могут быть диаметром до 100 мкм.

⇐ Предыдущая32333435363738394041Следующая ⇒

Поделиться: