Распространение световых лучей в оптических волокнах. Понятие оптической транспортной сети

 

В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) применяют электромагнитное излучение инфракрасного диапазона с длиной волны более 760 нм (видимое оптическое излучение лежит в диапазоне длин волн 380...760 нм, см. ниже рисунок).

 

Рисунок – Спектр электромагнитных колебаний

 

Электромагнитное излучение передается вдоль оптического волокна (ОВ), которое расположено внутри волоконно-оптического кабеля.

Волоконно-оптический кабель, используемый в сетях телекоммуникаций, может содержать от 2 до 48 (и даже больше) отдельных волокон. Два волокна оптического кабеля, упакованных в изолирующую защитную оболочку, обеспечивают полно-дуплексную связь: одна жила кабеля – для передачи, вторая – для приема.

Достоинством волоконно-оптического кабеля является отсутствие необходимости скручивания волокон или их экранирования, т.е. отсутствуют проблемы перекрестных помех (crosstalk) и взаимное влияние между волокнами.

Распространение световых лучей в оптических волокнах

Оптические волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую структуру в виде сердцевины (оптического световода) и оболочки (рис). Причем, сердцевина и оболочка имеют разную оптическую плотность или показатель преломления n. Чем больше оптическая плотность материала, тем больше замедляется свет по сравнению со скоростью в вакууме. Значение показателя преломления сердцевины n ₁ выше показателя преломления n ₂ оболочки (n ₁> n ₂).

Рисунок - Конструкция оптического волокна

 

Показатель преломления, обозначаемый n, является безразмерной величиной, выражаемый через отношение скорости света в вакууме (с₀) к скорости света а материале – направляющей среде (v):

 

 

Среда, у которой показатель преломления больше, называется оптически более плотной, в противном случае – менее плотной.

 

Qп - угол падения; Qп = Qотр Qотр – угол отражения; Qпр > Qп Qпр – угол преломления.

Qотр

Qп

 

n1> n2

n1

 

n2

Qпр

Свет отклоняется от перпендикуляра

 

Qкр- критический угол

Qкр

n1

n2

 

900

Луч не попадает во второй материал

 

Qп = Qотр. Угол падения равен углу отражения. Если угол падения больше критического, то свет будет отражён от границы двух сред

Qп

Qотр

n1

n2

 

Рисунок – Основные законы преломления и отражения в ОВ

 

Соотношения между углами падения Q_п, отражения Q_отр и преломления Q_пр определяются законом Снеллиуса:

 

Q_п = Q_отр и n ₁ Sin Q_п = n₂ Sin Q

или если n₁ > n₂, то Q_пр > Q_п.

 

Путём увеличения угла падения можно достичь состояния, при котором преломленный луч будет скользить по границе раздела сред, не переходя в другую среду, т. е. Q_пр = p/2. Угол падения, при котором имеет место данный эффект, называется критическим углом Q_кр полного внутреннего отражения

(1.6)

Очевидно, что для всех углов падения, больших критического (Q_п > Q_кр), будут иметь место только отражения, а преломления будут отсутствовать. Это явление называется полным внутренним отражением. На этом эффекте основан принцип передачи оптического излучения по оптическим волноводам.

Диапазон углов падения лучей света (рис.), входящих в волокно, при котором реализуется первое условие полного внутреннего отражения, называется числовой апертурой волокна.

 

Рисунок – Многомодовое (а) и одномодовое (б) волокно

 

Поскольку лучи входят под разными углами, то они отражаются от границы раздела сердцевины и оболочки под разными углами и проходят разное расстояние до устройства назначения (рис.). Эти составляющие лучей света называются модами. Возникновение мод возможно, если диаметр сердцевины сравнительно большой (рис.). Такое волокно называется многомодовым (multimode). В стандартном многомодовом оптическом кабеле используется сердцевина диаметром 62,5 или 50 микрон и оболочка диаметром 125 микрон. Такие кабели обозначаются 62,5/125 или 50/125.

Одномодовое волокно (singlemode) имеет меньший диаметр сердцевины, что позволяет только одной моде луча света распространяться по сердцевине вдоль оси волокна (рис.). Диаметр сердцевины одномодового волокна уменьшен до восьми – десяти микрон. Обычно одномодовое волокно маркируют следующим образом – 9/125. Это означает, что диаметр сердцевины составляет 9 микрон, а оболочки – 125 микрон. Одномодовое волокно более дорого по сравнению с многомодовым. Однако в одномодовых кабелях выше скорость передачи данных и больше расстояние, на которое могут быть переданы данные.

В зависимости от вида профиля показателя преломления сердцевины различают ступенчатые и градиентные ОВ. В отличие от ступенчатых ОВ, в которых показатель преломления сердцевины постоянен (рис., а), в градиентных ОВ показатель преломления сердцевины плавно меняется вдоль радиуса от максимального значения на оси до значения показателя преломления оболочки (рис., б).

Рисунок – Профиль показателя преломления ступенчатого (а)

И градиентного (б) ОВ