Физические принципы распространения светового сигнала в волоконно-оптическом кабеле

На физические принципы передачи сигнала с использованием оптических волокон впервые было указано еще в давние 70-е годы девятнадцатого столетия, когда Джон Тинделл (John Tyndell) продемонстрировал членам Британского Королевского общества свой экспериментальный прибор (рис. 10.1).

Рис. 10.1.Экспериментальная установка Тинделла

Уже ближе к нашим дням, но опять же не совсем удачно с точки зрения практического применения, для переноса информации о цветном сигнале в телевизионной системе передачи цветного изображения, запатентованной Дж. Ай. Бердом (J. I. Baird), использовались стеклянные светопроводящие стержни. К 1966 г. С. Хокхам (C. Hockham) и С. Као (С. Kao) продемонстрировали систему, в которой световой луч использовался для передачи данных по стеклянному волокну. Той изюминкой, которая сделала предложенную Хокхамом и Као систему передачи оптического сигнала работоспособной, оказалось снижение потерь в диэлектрическом материале до приемлемого уровня. К 1970 г. были разработаны теоретические предпосылки для использования в практических целях волоконно-оптических кабелей в системах коммуникаций.

Перед тем как рассмотреть вопросы изготовления и применения волоконно-оптического кабеля, следует вспомнить некоторые положения оптики, которые непосредственно связаны с распространением света в оптической среде.

Краткий теоретический экскурс.Показатель преломления (или коэффициент преломления) представляет собой отношение скорости светового потока в вакууме к скорости этого же потока в физической среде (стекле, пластмассе, воде и т.п.). Из чисто практических соображений принимается, что скорость распространения света в воздушной среде достаточно близка к значению скорости распространения в вакууме и при инженерных расчетах принимается равной ей. С математической точки зрения, коэффициент преломления n выражается в виде отношения:

(10-1)

где

с — скорость света в вакууме (3 108 м/с)

nm — скорость распространения света в среде.

Явление преломления представляет собой изменение направления распространения светового луча, когда он проходит через границу раздела (или поверхность раздела) двух сред, которые имеют различные коэффициенты преломления. На рис. 10.2 изображены два материала, обозначенные как N1 и N2, которые имеют коэффициенты преломления n1 и n2 соответственно.

Рис. 10.2.Рефракция

Чем больше разница в оптической плотности двух сред, тем выше будет преломление, или тем больше будет значение коэффициента преломления. В рассматриваемом на рис. 10.2 примере среда N1 имеет меньшую оптическую плотность по сравнению со средой N2. Рассмотрим падающий луч А, который падает на границу раздела со стороны среды, имеющей меньшую оптическую плотность (переход луча из среды N1 в среду N2). Как только оптический луч пересекает границу раздела сред, он изменяет направление своего распространения, при этом новое направление распространения окажется расположенным ближе к линии нормали (линии, проведенной под углом 90° относительно поверхности раздела). Луч В подходит к поверхности раздела из среды, имеющей более высокую оптическую плотность (переход луча из среды N2 в среду N1). В этом случае световой луч точно так же будет претерпевать преломление (или отклонение) от своего первоначального направления распространения, однако отклонение луча в этом случае будет происходить в противоположном направлении относительно линии нормали.

В преломляющих системах угол преломления представляет собой отношение двух значений коэффициентов преломления, иными словами, он подчиняется закону Снелла (Snell’s law):

n1sinθi = n2sinθr (10-2)

или

(10-3)

где

θi — угол падающего луча относительно нормали,

θr — угол преломленного луча относительно нормали.

Особый интерес в волоконной оптике представляет случай, когда световой луч проходит из одной оптической среды в другую, которая имеет меньшую оптическую плотность по сравнению с первой средой. Такая ситуация возникает при переходе светового луча из воды в воздушную среду либо в случае, представленном на рис. 10.2 для луча В, когда две среды, например два стекла, характеризующиеся различными коэффициентами преломления, имеют общую границу раздела.

На рис. 10.3 представлена подобная система, на которой изображен ход трех различных световых лучей, попадающих в одну и ту же точку на поверхности раздела двух сред, но при этом углы падения всех трех лучей отличаются и имеют значения θia, θib и θic соответственно.

Рис. 10.3.Критический угол отражения светового луча

При этом луч А попадает на границу раздела под углом, называемым докритическим углом θia, поэтому он расщепляется на два луча: А' и А''. Отраженная часть, А'', содержит относительно незначительную часть энергии полного луча и поэтому может с достаточной точностью считаться (для обычного глаза) невидимой. Основная часть энергии светового луча, заключенная в его части А'', проходит через границу раздела, при этом луч преломляется обычным образом под углом θra.

Во втором случае световой луч В приходит к границе раздела под так называемым критическим углом, θib, и после преломления направление его движения совпадает с линией, которая будет перпендикулярна к линии нормального падения лучей, т.е. этот луч после преломления будет распространяться параллельно границе раздела поверхностей. В учебной литературе по оптике этот критический угол падения луча принято обозначать как θс.

И наконец, в третьем случае световой луч С падает на поверхность раздела под углом, величина которого будет больше критического значения и который обычно называется сверхкритическим углом. Никакая доля светового потока не проходит через границу раздела, и после преломления луч будет полностью распространяться в исходной среде. Такое явление получило название полного внутреннего отражения, TIR *. И именно это явление лежит в основе работы волоконно-оптического кабеля.