Привет студент

Распространение света в оптических волокнах

При проектировании каналов связи необходимо знать характеристику информационных свойств передаваемого сообщения, учитывая при этом полосу частот, необходимую для требуемого качества передачи сообщения.

Телефонный канал принято считать приемлемым, если он передает звуки, частота которых лежит в пределах от 100 до 3400 Гц. Для передачи на судах черно-белого телевизионного изображения необходима полоса частот до 6 МГц, а в случае цветного изображения - примерно вдвое более широкая полоса.

Для качественной передачи необходимо, чтобы частота передатчика в десятки раз превышала наибольшую частоту, присутствующую в передаваемом сообщении. Отсюда и следует необходимость перехода передачи сигналов во все более коротковолновую часть диапазона частот.

В табл. 1 приведена классификация электромагнитных волн по диапазонам. Из таблицы видно, что частота электромагнитных волн оптического диапазона в десятки тысяч раз выше, чем частота сантиметровых волн, и при использовании их для передачи информации можно во столько же раз увеличить пропускную способность системы связи. Для волоконно-оптических систем достигнуты скорости передачи до 1...10 Гбит/с, что позволяет по одному каналу связи передавать такие гигантские массивы, как 2 млн. телефонных разговоров или 2 тыс. телевизионных программ одновременно. Стекловолокно как среда передачи в первую очередь определяет пропускную способность оптической системы. Рассмотрим вкратце, как происходит передача световых лучей по оптическому волокну. Из элементарной оптики известно, что когда луч света распространяется в прозрачной среде 1 с показателем преломления (ПП) n₁,а затем попадает на границу, отделяющую эту среду от другой, имеющей ПП, равный n₂, где n₂ < n₁, тогда большая часть энергии, переносимой лучом, будет передаваться во вторую среду.

Классификация электромагнитных волн.

Происходящее при этом явление называется рефракцией лучей (преломлением) (рис. 1, а). В то же время небольшая доля энергии отражается от границы обратно в первую среду (полагаем, что обе среды не имеют поглощения). Углы падения θ₁ и преломления θ₂ связаны следующим законом:

где θ₁ <  θ₂   если n₁ > n₂, и наоборот.

Чем больше θ₁ тем больше становится θ₂ , пока не наступит момент, когда θ₂ =90°, т.е. преломленный луч скользит вдоль границы раздела (рис. 1, б). Угол падения, соответствующий случаю θ₁ = 90° называется критическим углом падения и

если θ₁  и далее продолжает расти и певышает θ₂, тогда вся энергия, содержащаяся в падающем луче, отражается обратно в среду 1. Это явление называется полным внутренним отражением - основной принцип, на котором основано волноводное распространение света в оптических волокнах с так называемым ступенчатым профилем ПП.

Ступенчатое волокно состоит из стеклянной или кварцевой сердцевины, диаметр которой обычно равен 4... 100 мкм. Она окружена стеклянной, кварцевой или полимерной оболочкой, ПП которой немного меньше показателя самой сердцевины, а внешний диаметр обычно 125 мкм.

Если луч света, преломившись на границе раздела воздух -сердцевина на торце волокна, затем попадает на границу сердцевина оболочка под углом больше критического θ_ac (рис. 2, а), он претерпевает на этой границе полное внутреннее отражение. Из-за цилиндрической симметрии волокна этот луч полностью внутренне отражается и на нижней границе сердцевины и оказывается, таким образом, захваченным внутри сердцевины. Траектория луча, канализируемого вдоль сердцевины, имеет зигзагообразный характер с полным внутренним отражением, происходящим в каждой точке излома.

Рис. 1. Рефракция лучей

Рис. 2. Траектория луча в волоконном световоде

Лучи, изображенные на рис. 2, а, всегда пересекают ось волокна и называются меридиональными лучами.

Предельный угол падения меридионального луча на границу раздела сред соответствует критическим условиям падения:

Отсюда легко определить, под каким углом Q_ac к оси волокна должен падать этот ’’критический луч”. Используя закон преломления и считая, что слева от входного торца сердцевины расположена среда с n = 1, получаем

Таким образом, если говорить о меридиональных лучах, то все лучи этого типа, попадающие на торец сердцевины в пределах конуса с углом 2 arcsin θ_ас при вершине, захватываются сердцевиной и распространяются вдоль оси волокна. Параметр, определяемый формулой (2), называется числовой апертурой и является одной из важнейших характеристик волокна. Эта величина безразмерная и зависит только от значений n₁ и n₂. Числовая апертура не зависит от геометрических размеров волокна. Чем выше ее численное значение, тем эффективнее волокно. Обычно числовая апертура для волокон, применяемых в оптической связи, находится в пределах 0,1...0,2, что соответствует углам θ_a = 5,7...11,5°.

Если поверхность раздела сердцевина - оболочка чистая, ровная и свободная от неоднородностей, то поток излучения, входящий в волокно в пределах двойного предельного угла, будет полностью отражаться в волокне и распространяться без потерь на рассеяние. Однако на практике всегда имеются неоднородности, вызывающие рассеяние проходящего через волокно излучения и ослабляющие мощность выходного потока излучения по сравнению с входным.

Скачать реферат: Rasprostranenie-sveta-v-opticheskih-voloknah.rar

Пароль на архив: privetstudent.com