Волоконно-оптический кабель

Для принципа действия волоконно-оптического кабеля можно провести некоторые аналогии с работой СВЧ волновода, поэтому понимание процессов, происходящих в волноводе, полезно для понимания принципа работы волоконно-оптического кабеля. В простом схематичном виде модель волоконно-оптического кабеля изображена на рис. 10.4.

Рис. 10.4. Модель волоконно-оптического кабеля

Пластина из оптически прозрачного материала (N1) помещена между двумя слоями материала (N2), имеющего меньшую оптическую плотность по сравнению с материалом (N1). Световые лучи, которые подходят к границе раздела двух этих материалов под сверхкритическим углом, претерпевают полное внутреннее отражение от границы раздела (N2 N1 и N1 N2). Хотя на рисунке приводится пример только одного подобного отражения, световой луч будет претерпевать подобные полные внутренние отражения на всем своем пути прохождения через материал (N1). Та часть энергии светового потока, который претерпевает полное внутреннее отражение и продолжает свое распространение в исходном материале N1, составляет порядка 99,9% от исходного значения, что значительно превышает подобную характеристику для обычного плоского зеркала, для которого энергия отраженного светового потока колеблется от 85 до 96%.

Реальные кабели для волоконно-оптической связи изготавливаются, естественно, не в виде плоских сэндвич-структур, а имеют цилиндрическую форму; поперечное сечение подобного кабеля изображено на рис. 10.5.

Рис. 10.5.Отражение световых лучей в стекловолокне

Приведенная на рисунке конструкция получила название волоконно-оптического кабеля с оболочкой или покрытием, так как внутренний слой кабеля (получивший название сердцевины кабеля) окружен слоем материала, имеющего меньшую оптическую плотность и получившего соответственно название внешней оболочки. На рис. 10.5 показаны два световых луча, каждый из которых поступает в систему под сверхкритическим углом. Такие лучи будут распространяться по цилиндрическому волоконно-оптическому кабелю с очень малыми потерями энергии светового потока.

На самом деле существует два механизма распространения световых лучей в волоконно-оптическом кабеле. Механизм, посредством которого распространяется меньшая часть энергии светового луча (получивший название меридионального луча), гораздо легче для понимания и имеет хорошо проработанные математические модели, которые приводятся в подавляющем большинстве учебников из-за того, что все лучи лежат в плоскости, проходящей через оптическую ось кабеля (рис. 10.6а).

Рис. 10.6.Механизмы распространения светового потока в оптическом волокне

В механизме, за счет которого распространяется подавляющее количество энергии луча и получившем название косого луча, распространение осуществляется по винтовой траектории, в силу чего такой случай оказался несколько сложнее для понимания и математического описания процесса (рис. 10.6б).

Приемный конус волоконно-оптического кабеля представляет собой конический участок кабеля, расположенный точно соосно с оптической осью кабеля (рис. 10.7).

Рис. 10.7.Приемный конус волоконно-оптического кабеля

Приемный угол θа является критическим углом для перехода из воздуха (n = na) в материал сердечника волоконно-оптического кабеля (n = n1). Способность конуса собирать световой поток прямо пропорциональна размерам приемного конуса и численно выражается в виде значения апертурного числа (NA), определяемого выражением:

NA = sinθa (10-4)

Угол преломления лучей (если считать относительно внутренней поверхности раздела среды сердцевины (n1)) с воздухом определяется с помощью выражения Снеллиуса (Snell):

(10-5)

Может быть показано, что

θa1 = θa2 (10-6)

θb1 = θb2 (10-7)

(10-8)

Подставляя в формулу для апертурного числа значения коэффициентов преломления среды, окружающей оптическое волокно, и оболочки, можно получить следующее выражение:

(10-9)

Если окружающей средой является воздух, то вышеприведенная формула принимает упрощенный вид:

(10-10)

Если рассматривать внутреннюю часть оптического волокна, то критические значения для углов преломления θа1 и θа2 определяются соотношением значений коэффициентов преломления n1 и n2 двух материалов:

(10-11)

Типичное значение апертурного числа для материалов, используемых в волоконно-оптических кабелях, имеет значение от 0,1 до 0,5. Стандартное многомодовое стекловолокно имеет диаметр D от 125 до 200 мкм (диаметр сердцевины составляет от 50 до 100 мкм). В системе обозначений, используемой для обозначения размеров стекловолокна, применяется соотношение диаметров сердцевины и диаметров внешней оболочки, например соотношение 50/125. Способность устройства собирать световой поток ʆ пропорциональна квадрату произведения апертурного числа на диаметр:

(10-12)

где

ʆ - относительное значение способности собирать световой поток,

NA — числовое значение апертуры,

D — диаметр стекловолокна.