2.2. Оптическое волокно

Типичное оптическое волокно с оболочкой состоит из стеклянной или кварцевой сердцевины, диаметр которой равен 4—100 мкм. Сердцевина окружена стеклянной, кварцевой или полимерной оболочкой, показатель преломления которой немного меньше, чем у сердцевины. Внешний диаметр волокна равен 100—200 мкм.

Если луч света, преломившись на границе раздела воздух— сердцевина на торце волокна, затем попадает на границу сердцевина-оболочка под углом, большим критического (рис. 2.2), происходит полное внутреннее отражение. В связи с цилиндрической симметрией волокна полное внутреннее отражение этого луча имеет место и на нижней границе сердцевины, луч оказывается, таким образом, захваченным сердцевиной. Траектория луча, каналируемого вдоль сердцевины, имеет зигзагообразный характер, полное внутреннее отражение происходит в каждой точке излома. Лучи, изображенные на рис. 2.2, а, всегда пересекают ось волокна, их называют меридиональными. Легко показать с помощью

рис. 2.2, а, что закон Снеллиуса [см. формулу (2.1)] требует выполнения следующего соотношения

на торце волокна. Поскольку на границе между сердцевиной и оболочкой имеет место полное внутреннее отражение, должно выполняться неравенство

Рис. 2.2. Траектории меридиональных (а) и косых (б) лучей в оптическом волокне

Следовательно, необходимым условием того, чтобы луч распространялся внутри сердцевины волокна и не попал в оболочку, является следующее:

На основании рис. 2.2, а можно также утверждать, что все лучи, которые попадают на торец сердцевины волокна внутри конуса, образующая которого составляет угол с осью волокна, будут распространяться вдоль волокна и выйдут из его выходного торца практически без потерь Угол называется приемным углом волокна для меридиональных лучей. Уравнение (2.4) определяет важный параметр волокна, называемый числовой апертурой по аналогии с числовой апертурой линзы или объектива, и является, как мы увидим позднее, очень полезной величиной, так как позволяет оценить количество световой энергии, которую можно ввести от источника света в волокно. Эта величина безразмерная и зависит только от показателей преломления . Обычно оболочку изготовляют из плавленого кварца имеющего показатель преломления для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов на 1,46, а по соображениям технологического и прикладного порядка относительная разница показателей преломления А обычно не должна превышать т. е.

Следовательно,

Обычно числовая апертура для волокон, применяемых в системах оптической связи, находится в пределах что соответствует приемным углам Однако в волокнах, не предназначенных для устройств дальней связи, числовая апертура может быть и больше 0,5; т. е. .

Все сказанное выше относилось только к меридиональным лучам, т. е. таким, которые лежат в одной плоскости с осью волокна. Кроме меридиональных существуют лучи, которые распространяются внутри сердцевины, не пересекая ось волокна. Такие лучи называются косыми, они распространяются таким образом, что их траектории не лежат в одной плоскости, в отличие от меридиональных лучей (рис. 2.2, б). Детальное рассмотрение косых лучей не входит в задачи данной книги. Скажем только, что часть этих лучей, как выясняется, постоянно теряет энергию по мере распространения вдоль волокна. Во всех случаях, когда длина волокна достаточно велика (километр и более), вклад этой части косых лучей в перенос энергии минимален. В то же время на малых расстояниях, измеряемых метрами, косые лучи могут переносить (в зависимости от условий ввода излучения) достаточно большую часть общей мощности. Читателям, интересующимся деталями этой проблемы, рекомендуем обратиться к работе [344], где подробно описаны методы расчета траекторий косых лучей в волокнах.