Распространение излучения в оптическом волокне

1. Введение

      Появление и развитие волоконно-оптических линий связи началось с экспериментов в области оптической связи в 1960-х годах. Основным прорывом стало создание первого оптического волокна, способного передавать световые сигналы на длинные расстояния без значительных потерь. В 1970-х годах были разработаны более эффективные методы производства оптических волокон, что позволило начать коммерческое использование волоконно-оптических линий связи в 1980-х.

      Преимущества волоконно-оптических линий связи по сравнению с передачей сигналов электрическими импульсами в медных кабелях включают:

1. Большая пропускная способность: оптические волокна способны передавать гораздо больший объем данных на высоких скоростях, чем медные кабели.
2. Большая дальность передачи: световые сигналы в оптических волокнах могут передаваться на большие расстояния без существенных потерь сигнала.
3. Меньшие помехи: оптические волокна менее подвержены внешним электромагнитным помехам, что обеспечивает более надежную передачу данных.
4. Высокий уровень безопасности: оптические волокна не проводят электрический ток, что уменьшает риск возгорания и электрических поражений.

      Однако у волоконно-оптических линий связи также есть некоторые недостатки, включая более высокую стоимость установки и обслуживания по сравнению с медными кабелями, а также сложность ремонта при повреждениях.

      В целом, волоконно-оптические линии связи представляют собой более современное и эффективное решение для передачи данных, особенно при высоких требованиях к скорости, пропускной способности и надежности передачи информации на большие расстояния.

2. Основная часть

2.1 Краткая теория распространения излучения в оптическом волокне

      (Рис.1) Представлена структура оптоволокна. Обычно световод включает в себя внутреннюю область – сердцевину, с высоким показателем преломления (n1), однородную в направлении распространения излучения, а также внешнюю оболочку с меньшим показателем преломления (n2)

[pic 1]

     Известно, что в разных средах луч света распространяется с разной скоростью. Попадая на границу двух прозрачных сред, луч света частично отражается, частично преломляется (рис. 2). Угол отраженного луча равен углу падающего, а угол преломленного луча зависит от соотношения показателей преломления сред. Согласно закону Снеллиуса, произведение синуса угла, падающего и преломленного лучей на соответствующие показатели преломления сред равны.

[pic 2]

      Поставим условие, чтобы преломленный луч не проникал во вторую среду (рис. 2б), а двигался вдоль границы раздела. Так как при этом γ=90°, то нетрудно вычислить так называемый критический угол:

[pic 3]

      Свет передается через сердцевину волокна, отражаясь от стенок оболочки по принципу полного внутреннего отражения, позволяя волокну действовать в качестве световода. Поскольку оболочка не поглощает свет, выходящий из сердцевины, сигналы могут распространяться на большие расстояния с небольшими потерями, происходящими из-за примесей в стекле. В зависимости от толщины, излучение может распространяться только по одному пути (одномодовое волокно) или иметь несколько путей распространения (многомодовое волокно).

      Рассмотрим прохождение излучения по плоскому световоду (рис. 3). Оптический луч, проходя по световоду испытывает полные многократные отражения от границы раздела «сердцевина – оболочка». Однако если угол падения Q становится больше критического значения, полного отражения не происходит и излучение проникает в оболочку.

[pic 4]

      1 – угол приема лучей 2Qmax, 2 – свет, который не передается по световоду (Q>Qc), 3 – оболочка с n2, 4 – сердцевина с n1, 5 – распространяющееся излучение, 6 – фазовый сдвиг при отражении. Максимальный (критический) угол, при котором происходит полное отражение, определяется формулой: