Свойства волокна, основанные на законах геометрической оптики

Некоторые фундаментальные закономерности/свойства ОВ, как любой прозрачной опти­- ческой среды, можно объяснить законами линейной (геометрической) оптики, основан­- ными на прямолинейности распространения светового луча и свойстве изотропности - одинаковости распространения света в среде во всех направлениях (так как стекла яв­- ляются однородными и изотропными средами). К ним относятся законы отражения и преломления света.

Рис.10-1. Распространение луча по световоду

На рис. 10-1 показано распространение луча по волокну, имеющему указанные значения показателей преломления (ПП), n₁ > n₂. Луч 2 падает под углом полного внутреннего отраже­ния (ПВО), (преломленный луч 2 при этом скользит по границе раздела). Луч 1 падает под углом большим, чем ПВО₁ (преломленный луч 1 при этом отсутствует, а отраженный луч 1 распространяется но ОВ). В идеальном случае - при отсутствии рассеяния света и нулевой дисперсии - луч 1 мог бы распространяться внутри световода с n₁ (играющего роль сердцеви­ны) на сколь угодно большое расстояние. Луч 3 падает иод углом, меньшим ПВО₂ поэтому возникает преломленный луч 3, который, падая на границу оболочки, отражается от границы n₂ -внешняя среда под углом, большим, чем ПВ0₂, в результате он распространяется по обо- лочке. Луч 4, падая под углом меньшим, чем ПВ0₂ проходит через обе границы раздела, соз­давая как отраженный от второй границы луч 4, так и преломленный луч 4.

Моды колебаний

На уровне электромагнитного взаимодействия с молекулами среды ОВ учитываются про­странственные электрические Е и магнитные Н поля и явления поляризации, как электриче­- ской Р, так и магнитной В, допускающие колебания соответствующих векторов (Е, Н ) только в определенных плоскостях. Это приводит к появлению в световоде (ОВ) многих (это число конечно, но может составлять несколько сотен) типов колебаний, или мод (аналогично тому, что происходит в СВЧ-волноводе), учитывая соблюдение "волноводных" условий распростра­нения: соотношение длины волны света λ_с в ОВ порядка 1 мкм и диаметра волновода d_c = 10- 100 мкм, λ_с « d_c.

Оказывается, что в ОВ существуют два типа мод НЕ_mn и ЕH_тn. При т>0 имеем гибридные моды, а при т=0 - поперечные моды ТЕ₀₁ и TH₀₁. Моды, соответствующие апертурным лучам, называются направляемыми (рис. 10-1, луч 1), а внеапертурным лучам - излучающими (рис. 10-1, луч А). Часть внеапертурных лучей распространяется в оболочке, соответствующие им моды называют оболочечными (рис. 10-1, луч 3). Они играют определенную роль в уменьшении дис­персии ОВ с плавным или специальным профилем ПП и со сдвигом дисперсии (см. ниже).

Чем меньше диаметр d_c, тем меньше сечение светового потока, поступающего в ОВ и меньше типов колебаний, обусловленных множеством решений уравнения Максвелла, или мод, возникает в ОВ. Волокно, в котором распространяется несколько мод, называется много-модовым (ММ), а то, в котором распространяется одна мода - одномодовым (ОМ). Для про-мышленно выпускаемых световодов ОМ ОВ имеет диаметр 7-11 мкм, а ММ ОВ - 50; 62,5; 85 и 100 мкм. В ОМ ОВ поддерживается только одна гибридная мода НЕ₁₁ называемая основной модой, а в ММ ОВ поддерживаются различные, как поперечные, так и гибридные, моды.