2.1. Волны, частицы и электромагнитный спектр
2.2. Принцип действия волоконных световодов
2.3. Основные положения геометрической (лучевой) оптики при передаче света в волоконных световодах
2.3.1. Основы геометрической оптики
2.3.2. Анализ лучевого распространения света в волоконных световодах
2.4. Основные положения волновой теории передачи света по световодам
2.4.2. Взаимодействие оптической волны со средой
2.5. Параметры оптических волокон
2.5.1. Геометрические и оптические параметры оптических волокон
2.1. Волны, частицы и электромагнитный спектр
Рис. 2.1. Типы поляризаций: а — линейная; б — круговая; в — эллиптическая
Свет представляет собой один из видов электромагнитной энергии, такой же как радиоволны, рентгеновские лучи и, наконец, электронные цифровые импульсы. Электромагнитные волны— это переменные магнитные и электрические поля, направленные перпендикулярно друг другу и направлению распространения. Световая волна является поперечной волной. Если электрическое и магнитное поля колеблются в плоскости, то в фиксированной точке пространства (Z) конец вектора напряженности электрического или магнитного поля с течением времени перемещается вдоль отрезка прямой линии. Такую волну называют линейно-поляризованной. Если вектор 
, оставаясь неизменным по величине, вращается с угловой частотой ω вокруг направления Z0, то конец вектора описывает окружность. Волны такого типа называются волнами с круговой поляризацией. При произвольных значениях амплитудных и начальных фазовых составляющих вектора 
(Eх, Еу, и φх, φу) в фиксированной точке пространства Z конец этого вектора описывает эллипс. Волны такого типа принято называть волнами с эллиптической поляризацией (рис 2.1).
В физике все виды материи разделяются либо на волны, либо на частицы. Обычно свет представляется в виде волн, а электроны — в виде частиц. Однако современные физические исследования показали, что четкой границы между частицами и волнами не существует. Поведение как частицы, так и волны может быть и корпускулярным, и волновым.
Частицы света называются фотонами. Фотон представляет собой квант, или пакет излучения. Квант — это элементарная единица излучения. Нельзя наблюдать половину или 5,33 кванта. Количество энергии, переносимое фотоном, увеличивается с ростом частоты: большие частоты соответствуют большему количеству энергии. Длине волны фиолетового диапазона, имеющей большую частоту, соответствует большее количество энергии, чем волнам красного диапазона. Энергия, запасенная в одном фотоне,
E=hf, (2.1) где f — частота и h — постоянная Планка, равная 6,63х10-34Дж∙с (джоуль секунда).
Из уравнения видно, что энергия фотона пропорциональна частоте (или длине волны).
Существует несколько уровней энергии для различных высокочастотных длин волн и, чем выше частота, тем большую энергию имеет квант.
Инфракрасный свет (1013 Гц) 6,63 х10-20 Дж ∙ с
Видимый свет (1014 Гц) 6,63 х10-19 Дж ∙ с
Ультрафиолетовый свет (1015 Гц) 6,63 х10-18Дж ∙ с
Рентгеновские лучи (1018 Гц) 6,63 х10-15 Дж ∙с
Фотон является странной частицей с нулевой массой покоя. Если он не движется, то не существует. В этом смысле фотон не является частицей, такой как камень или капля чернил. Он служит вместилищем энергии, но ведет себя как частица.
В волоконной оптике свет рассматривают и как частицу, и как волну. Обычно в зависимости от смысла используют либо одно, либо другое понятие. Например, многие характеристики оптического волокна основаны на длине волны, и свет рассматривается как волна. Однако испускание света источником или его поглощение детектором лучше описывается теорией частиц.
Фотоны, попадающие на детектор и поглощаемые им, выделяют энергию и обеспечивают электрический ток в цепи. Светоизлучающие диоды (СИД) работают на принципе передачи энергии от электронов к фотонам, энергия которых определяет длину волны излучаемого света. Таким образом, свет ведет себя различным способом при различных обстоятельствах. Поэтому, чтобы описать свет, необходимо использовать, в зависимости от обстоятельств, различные подходы (положения геометрической оптики, волновой оптики или квантовой оптики) [1].
Рис. 2.2. Электромагнитный спектр
В данной книге свет рассматривается, как электромагнитная волна или как электромагнитное излучение. Рассмотрим электромагнитный спектр, используемый в волоконных световодах. Электромагнитное излучение образует непрерывный частотный спектр, простирающийся от ультразвука к радиоволнам, микроволновому излучению, рентгеновским лучам и далее (рис. 2.2). Свет представляет собой электромагнитное излучение с большей частотой и более короткой длиной волны по сравнению с радиоволнами. Он распространяется в волне таким же образом, как и радиосигналы, рентгеновские лучи и т.д. Световое излучение занимает только маленькую часть электромагнитного спектра [2].
Видимый свет находится в пределах диапазона волн 390-760 нанометров (нм=10-9 м), или 0,39-0,76 тысячных частей мм. Сравните это с радиоволнами, которые имеют длину волны от сотен до тысяч метров! Свет в общем использовании означает только видимый свет, но этот термин обычно расширяется и включает и ультрафиолетовое (коротковолновое), и инфракрасное излучение (длинноволновое). Фактически термин свет охватывает весь спектр излучения, который может управляться подобным способом (линзами, сетками, призмами и т.д.). Этот более широкий диапазон находится в пределах от 190 нм (ультрафиолетовый свет) до 2000 нм (инфракрасный свет).
В оптической связи с помощью волоконных световодов используется приграничный с инфракрасным диапазоном волны от 800 до 1600 нм. На данном этапе в волоконно-оптических системах передачи ВОСП в казанном диапазоне применяется пять окон прозрачности (табл. 2.1).
Таблица 2.1. Диапазоны длин волн окон прозрачности
| Окно прозрачности | Диапазон длин волн, нм |
|
Первое |
Около 850 |
|
Второе |
1280 – 1325 |
|
Третье |
1530 – 1565 |
|
Четвертое |
1565 – 1620 |
|
Пятое |
1350 — 1450 |
Высокие частоты света или малые длины волн представляют большой интерес с точки зрения коммуникационной технологии, так как более высокие частоты несущей волны означают большую скорость передачи информации. Технология волоконной оптики позволяет использовать потенциальную возможность света и обеспечивать высокую скорость передачи информации.
2.2. Принцип действия волоконных световодов
Основным элементом волоконно-оптического кабеля (ВОК), или в дальнейшем оптического кабеля (ОК), является волоконный световод (ВС). Волоконный световод, или оптическое волокно (ОВ), — это оптический волновод ВОСП, предназначенный для направленной передачи оптического излучения, выполненный в виде тонкой стеклянной нити цилиндрической формы с круглым поперечным сечением. Оптическое волокно состоит из сердцевины, одной или нескольких оболочек и одного или нескольких защитных покрытий.
Сердцевина ОВ — это центральная область ОВ, через которую передается основная часть оптической мощности сигнала. Среднее значение показателя преломления (ПП) оболочки меньше среднего значения в сердцевине. В ОВ применяются однородные или депрессированные оболочки. У однородных оболочек ОВ значение ПП постоянное, у депрессированных переменное. Диэлектрическим материалом для сердцевины и оболочки ОВ служит плавленый кварц (кварцевое стекло), чистый или с примесями химических элементов и их соединений, небольшие пропорции которых способствуют изменению оптических свойств плавленого кварца должным образом. Плавленный кварц — это аморфное, прозрачное вещество с химической формулой двуокиси кремния SiO2. Сердцевина и оболочка ОВ обладают разными оптическими характеристиками (показателями преломления n1 и n2). Если сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии, то оболочка — для создания лучших условий отражения на границе раздела сердцевина — оболочка, защиты сердцевины волокна от механических повреждений, а также для защиты от излучения энергии в окружающее пространство и поглощения нежелательного излучения извне.
Волоконные световоды делятся на две группы: многомодовые и одномодовые. В конструктивном отношении они различаются диаметром сердцевины (рис. 2.3). В одномодовом световоде диаметр сердцевины d1 соизмерим с длиной волны (d1≈λ), и по нему передается лишь один тип волны (моды). В многомодовых световодах диаметр сердцевины d2 больше длины волны (d2>λ), и по нему распространяется большое число волн. Практически диаметр сердцевины световода составляет 6 — 8 мкм у одномодовых и 50 мкм у многомодовых световодов, диаметр оболочки — 125 мкм, диаметр волокна по защитному покрытию — 250 мкм.
Рис. 2.3. Профили показателей преломления различных световодов:
многомодовых: 1 – ступенчатого, 2 – градиентный;
одномодовых: 3 – ступенчатого, 4 – треугольного, 5 – типа W
Рис. 2.4. Волоконные световоды: а – ступенчатые многомодовые; б – градиентные многомодовые; в — одномодовые
Профили показателей преломления (ППП) различных ОВ приведены на рис. 2.3. ППП многомодовых ОВ подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых ВС показатель преломления в сердцевине постоянен и имеется резкий переход от n1 сердцевины к n2 оболочки. Градиентные ВС имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии.
В одномодовых ОВ ППП, в свою очередь, подразделяется на ступенчатый, треугольный, типа W (рис. 2.3).
Траектории лучей в световодах различных групп представлены на рис. 2.4. В ступенчатом многомодовом световоде лучи резко отражаются от границы сердцевина–оболочка. При этом пути следования различных лучей различны, и поэтому они приходят к концу линии со сдвигом во времени, что приводит к искажению передаваемого сигнала (дисперсии). В градиентных световодах лучи распространяются по волнообразным траекториям, поэтому искажений меньше. В наилучших условиях находится одномодовая передача, так как здесь распространяется лишь один луч.
Математически профиль показателя преломления (ППП) ОВ может быть описан выражением вида:
(2.2)
где n1 — максимальное значение ППП на оси волокна, т.е. при r=0; а — радиус сердцевины; u — показатель степени, описывающий изменение ППП; ∆ — относительная разность показателей преломления сердцевины и оболочки ОВ. В разных волокнах значение ∆ меняется от 0,003 до 0,01.
Показатель степени для треугольного профиля ПП равен 1, параболического — 2, а прямоугольного (ступенчатого) — ∞.
Физические процессы, происходящие при распространении электромагнитных волн в волоконных световодах оптических кабелей, имеют свои особенности. В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводимостью и током проводимости Iпр, ОК имеют совершенно другой механизм передачи, а именно: токи смещения Iсм на основе которых действует также радиопередача. Однако волна в ОК распространяется не в свободном пространстве, а концентрируется в самом объеме световода и передается по нему в заданном направлении (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Процесс передачи волны по световоду
Например, передача волны по световоду со ступенчатым профилем показателя преломления осуществляется за счет отражений ее от границы сердечника и оболочки, имеющих разные показатели преломления (n1 и n2).
В обычных кабелях носителем пере даваемой информации является электрический ток, а в ОК — лазерный луч.
Рис. 2.6. Передача по направляющим схемам: а – двухпроводной; б — волноводной
В симметричных и коаксиальных кабелях передача осуществляется по двухпроводной схеме с применением прямого и обратного проводника цепи. В световодах, волноводах и некоторых других направляющих системах нет двух проводников, и передача происходит волноводным методом за счет многократного отражения волны от границы раздела сред (рис. 2.6). Такой отражающей границей может быть металл — диэлектрик, диэлектрик — диэлектрик с различными диэлектрическими (оптическими) свойствами и др. На волноводном принципе действуют световод, волновод, линия поверхностной волны, диэлектрический волновод и другие конструкции направляющих систем.
Граница раздела разных направляющих систем характеризуется соотношением между длиной волны λ и поперечными размерами направляющей системы d. При λ > d требуется два провода: прямой и обратный и передача происходит по обычной двухпроводной схеме. При λ < d не требуется двухпроводной схемы и передача происходит за счет многократного зигзагообразного отражения волны от границ раздела сред с различными характеристиками. Поэтому передача по волноводным системам (световодам, волноводам и другим НС) возможна лишь при частотах, у которых длина волны соизмерима или меньше, чем поперечные размеры — диаметр НС.
Рассмотрим принцип действия волоконного световода и возможные случаи распространения волны в световоде для разных частот [1.3]. На рис. 2.7 показаны предельные случаи распространения малых длин волн при λ →0 (рис. 2.7 а) и волн, соизмеримых с диаметром световода (d) при λ →d (рис. 2.7 б). В первом случае отражений мало и волна стремится к прямолинейному движению вдоль световода, т.е. передача проходит в выгодных условиях.
