Полное внутренние отражения

Волоконные световоды

Волоконные световоды используются для передачи информации электромагнитными волнами оптического диапазона. В технике волоконно – оптической связи используется ближний инфракрасный диапазон (рис. 7.1), который занимает определённое место на шкале электромагнитных волн.

 

Рис. 7.1 – Шкала электромагнитных волн

 

Волоконные световоды обладают уникальными качествами, отличающими их от направляющих систем с металлическими границами. Основными свойствами ВС являются:

- малые поперечные размеры;

- малый коэффициент затухания, не зависящий от поперечных размеров ВС и частоты модулирующего сигнала;

- высокая скорость передачи информации;

- неподверженность внешним электромагнитным воздействиям;

- отсутствие взаимных влияний;

- гальваническая развязка цепей передачи и приёма;

- отсутствие коротких замыканий.

 

Волоконные световоды являются основой волоконно – оптических кабелей. Волоконный световод состоит из сердцевины с показателем преломления и оболочки с показателем преломления , причём (рис. 7.2)

 

 

Рис. 7.2 – Структура волоконных световодов.

 

Волоконные световоды как среда передачи в технике оптической связи определяют параметры системы и её назначение в целом. Направляющие свойства волоконных световодов, плёночных (планарных) и полосковых оптических волноводов основаны на явлении полного внутреннего отражения света. Такие структуры состоят их оптически прозрачного вещества, окруженного оптически менее плотным материалом. Световые лучи, падающие на торец такой структуры, при определённых условиях захватываются и направляются плёнкой, полоской или волокном. Такое объяснение направляемости света, использующее законы геометрической оптики не учитывает свойства света как электромагнитной волны, поэтому при анализе процессов распространения электромагнитной энергии в световодах используется два подхода – лучевое приближение и волновая теория. Лучевое приближение, основанное на законах геометрической оптики, просто, наглядно, дает качественное представление о процессах распространения в световодах, позволяет произвести некоторые количественные оценки. В геометрической оптике световые волны изображаются лучами, направленными по нормали к волновой поверхности. В оптически однородных средах лучи прямолинейны. При падении световой волны на плоскую границу раздела двух сред с разными значениями относительной диэлектрической проницаемости е (или показателя
преломления n) в общем случае появляются прошедшая (преломленная) и отраженная волны, при этом предполагается, что обе среды не поглощают свет (рис. 7.3). Углы падения, отражения и преломления связаны соотношением, известным как закон Снеллиуса

 

(7.1)

где — показатель преломления первой среды, в которой распространяется падающая волна; — показатель преломления смежной среды.

 

Рис. 7.3 – Полное внутреннее отражение

 

Если световая волна из оптически более плотной среды падает на границу раздела с оптически менее плотной средой ( > ), то угол падения всегда меньше угла преломления ( < ). С увеличением угла падения увеличивается и угол преломления , пока не наступит момент, когда =90°, т.е. преломленный луч в этом случае скользит вдоль границы раздела двух сред. Таким образом всегда существует критический предельный угол падения при котором преломленная волна распространяется вдоль границы раздела сред ( =90°).

, (7.2)

 

При дальнейшем увеличении угла падения (т.е. при < ) преломленная волна отсутствует и вся энергия, содержащаяся в падающем луче, полностью отражается от поверхности оптически менее плотной среды (рис. 7.2). Это явление называется полным внутренним отражением. Отраженная волна при этом приобретает фазовый сдвиг, зависящий от угла падения.

Лучевая модель распространения света в световодах не позволяет учесть и проанализировать фазовые соотношения между падающими и отраженными волнами, а также энергетические соотношения между ними. Учет волновых свойств света показывает, что из всего множества световых лучей в пределах угла полного внутреннего отражения от границы направляющей структуры только ограниченное число лучей с дискретными углами могут образовать направляемые волны структуры. Кроме полного внутреннего отражения эти лучи должны удовлетворять еще условию, которое заключается в том, что после двух последовательных переотражений от стенок соответствующие лучам волны должны быть в фазе и таким образом интерферировать при наложении друг на друга. Только когда волны удовлетворяют такому фазовому условию, они будут формировать согласованное распределение поля направляемых волн (мод). Если это условие не выполняется, волны интерферируют так, что гасят сами себя и исчезают. Квантование полей в дискретный ряд направляемых мод было обнаружено только тогда, когда были решены уравнения Максвелла.

Наиболее полные результаты процессов распространения и отражения в световодах, а также энергетические соотношения можно получить, только используя волновую теорию. При анализе процессов распространения в световодах основными являются следующие положения:

- свет, излучаемый каким-либо источником и распространяющийся в свободном пространстве, имеет вид однородной плоской волны если источник или какие-либо рассеивающие объекты или границы достаточно удалены от места наблюдения;

-в прозрачной, однородной и достаточно протяженной среде
свет также может распространяться в виде однородных плоских волн;

-материалы, из которых изготовлены световоды, являются немагнитными, изотропными и линейными относительно векторов электрического и магнитного полей.