Svetlo je elektromagnetické vlnenie s extrémne vysokou frekvenciou aoptické vláknosám o sebe je dielektrický vlnovod; preto je teória šírenia svetla v optických vláknach mimoriadne zložitá. Komplexné pochopenie si vyžaduje znalosť teórie elektromagnetického poľa, teórie vlnovej optiky a dokonca aj teórie kvantového poľa.
Na uľahčenie pochopenia táto učebnica pojednáva o svetelnom-princípe optických vlákien z perspektívy geometrickej optiky, ktorá je intuitívnejšia, názornejšia a ľahšie pochopiteľná. Navyše, v prípade multimódových optických vlákien, keďže ich geometrické rozmery sú oveľa väčšie ako vlnová dĺžka svetla, možno svetelnú vlnu považovať za jeden lúč, ktorý je základným východiskovým bodom pre geometrickú optiku.
Princíp úplného vnútorného odrazu
"Keď sa svetlo šíri v rovnomernom prostredí, postupuje v priamočiarom smere, ale keď sa dostane na rozhranie dvoch rôznych prostredí, dochádza k javom odrazu a lomu. Odraz a lom svetla je znázornený na obrázku 2-4.
Podľa zákona odrazu sa uhol odrazu rovná uhlu dopadu; podľa zákona lomu n₁sinθ₁=n₂sinθ₂. kde n1 je index lomu jadra vlákna; n₂ je index lomu plášťa.
Je zrejmé, že ak n₁ > n₂, potom θ₂ > θ₁. Ak sa pomer n₁ k n₂ do určitej miery zvýši, uhol lomu θ₂ bude väčší alebo rovný 90 stupňom a lomené svetlo už nevstúpi do plášťa, ale bude sa lámať pozdĺž rozhrania medzi jadrom vlákna a plášťom (keď θ₂=90 stupeň jadra) alebo pri spätnom šírení vlákna >90 stupeň). Tento jav sa nazýva úplný vnútorný odraz svetla. Ako je znázornené na obrázku 2-5."
Uhol dopadu zodpovedajúci uhlu lomu θ₂=90 stupeň sa nazýva kritický uhol (θ₀), ktorý možno ľahko získať.
Je ľahké pochopiť, že keď dôjde k úplnému vnútornému odrazu v optickom vlákne, keďže takmer všetko svetlo sa šíri v jadre vlákna a žiadne svetlo neuniká do plášťa, útlm vlákna sa výrazne zníži. Early step-index optické vlákna boli navrhnuté na základe tohto konceptu.
Šírenie svetla v optickom vlákne-indexu
(1) Šírenie svetelných lúčov v optických vláknach Na uľahčenie pochopenia použijeme najprv teóriu lúčovej metódy na jednoduchý popis šírenia svetelných vĺn v optických vláknach. Keď sa lúč svetla pripojí k optickému vláknu z koncovej strany, vo vlákne môžu byť rôzne formy svetelných lúčov: poludníkové lúče a šikmé lúče. Obrázok 2-6a zobrazuje lúč, ktorý sa vždy šíri v rovine obsahujúcej stredovú os 00' optického vlákna a pretína stredovú os dvakrát počas jedného cyklu šírenia. Tento typ lúča sa nazýva meridionálny lúč a rovina obsahujúca stredovú os optického vlákna sa nazýva poludníková rovina. Obrázok 2-6a zobrazuje poludníkovú rovinu MN. Ďalším typom je, kde trajektória svetelného lúča počas šírenia nie je v rovnakej rovine a nepretína stredovú os optického vlákna. Tento typ lúča sa nazýva šikmý lúč, ako je znázornené na obrázku 2-6b. Analýza šikmých lúčov je pomerne komplikovaná aj pri použití teórie lúčovej metódy. Je to preto, že šírenie šikmých lúčov nie je v rovine ako v prípade poludníkových lúčov, ale skôr v špirálovom vzore v trojrozmernom priestore, ako je znázornené na obrázku 2-6b. Analýza vyžaduje použitie trojrozmerných súradníc, čo je trochu abstraktné, ale jej základný princíp vedenia svetla je rovnaký ako pri meridiánovej metóde, takže podrobná analýza nie je poskytnutá.
(2) Šírenie poludníka v kroku-indexového vlákna Šírenie poludníka v kroku-indexového vlákna je znázornené na obrázku 2-7. Vlákno so stupňovitým indexom sa skladá z jadra s indexom lomu n2a obklad s indexom lomu n1, kde n1a n2sú konštanty a n1> n2.
"Keď svetlo O vstupuje zo vzduchu (n₀= 1) do koncového povrchu optického vlákna pod uhlom φ₁, časť svetla prenikne do optického vlákna. V tomto čase, podľa Snellovho zákona n₀sinφ₁=n₁sinθ₁, a keďže index lomu jadra vlákna n₁> n₀(index lomu vzduchu), uhol lomu θ₁ < φ₁ a svetlo sa ďalej šíri a dopadá pod uhlom θᵢ=90 stupeň - θ₁ na rozhranie medzi jadrom vlákna a plášťom. Ak je θᵢ menší ako kritický uhol θc=arcsin(n₂/n₁) na rozhraní vlákna a plášťa, časť svetla sa bude lámať do plášťa a stratí sa, zatiaľ čo iná časť sa odrazí späť do jadra vlákna. Týmto spôsobom po niekoľkých odrazoch a lomoch bude tento svetelný lúč rýchlo zoslabený. Ak φ₁ klesne na φ₀ (ako pri svetelnom lúči ②), potom sa θᵢ tiež zníži, zatiaľ čo θᵢ=90 stupeň - θ₁ sa zvýši. Ak sa φ₁ zvýši tak, že prekročí kritický uhol θc, potom tento svetelný lúč podstúpi úplný vnútorný odraz na rozhraní jadra vlákna a plášťa, pričom všetka energia sa odrazí späť do jadra vlákna. Keď sa pokračuje v šírení a opäť narazí na rozhranie vlákna a plášťa, opäť nastane úplný vnútorný odraz. Opakovaním tohto procesu môže byť svetlo prenášané z jedného konca pozdĺž kľukatej dráhy na druhý koniec.
Analyzujme, aké malé musí byť φ₁ na prenos svetla z jedného konca optického vlákna na druhý koniec.
Za predpokladu, že φ₁=φ₀, potom θc=θc₀, θᵢ=θc, n₀=1, máme: n₀sinφ₀=sinφ₀n{}₀ {5}₀ n₁sin(90 stupňov - θc)=n₁cosθc
Máme teda: sinφ₀=n₁cosθc=n₁√(1 - sin²θc)=n₁√(1 - (n₂/n₁)²)=² n₁₁₈=⁚27(n} ){ - n₂²)
V rovnici je Δ rozdiel relatívneho indexu lomu optického vlákna, Δ=(n₁² - n₂²)/(2n₁²) ≈ (n₁ - n₂)/n₁.
Z toho je možné vidieť, že pokiaľ je uhol dopadu φ₁ menší alebo rovný φ₀ na konci optického vlákna, svetlo sa môže prenášať úplným vnútorným odrazom v jadre vlákna. φ₀ sa nazýva maximálny uhol dopadu koncového povrchu optického vlákna a 2φ₀ je maximálny akceptačný uhol optického vlákna pre svetlo."
(Obrázok 2-7 Šírenie meridiánov v optickom vlákne so stupňovitým indexom)
"(3) Číselná apertúra: Keďže rozdiel medzi n1 a n₂ je malý, sínus maximálneho uhla dopadu na koncový povrch optického vlákna, keď dôjde k úplnému vnútornému odrazu v optickom vlákne, je sinφ₀ ≈ φ₀, čo sa nazýva numerická apertúra optického vlákna, všeobecne označované ako Apertúra NA (numerické):
NA=sinφ₀=n₁√2Δ=√(n₁² - n₂²)
Táto rovnica vyjadruje schopnosť optického vlákna- zhromažďovať svetlo. Akékoľvek dopadajúce svetelné lúče s uhlom dopadu menším ako φ₀ môžu splniť podmienku úplného vnútorného odrazu a budú obmedzené v jadre vlákna, aby sa šírili v axiálnom smere. Je možné vidieť, že numerická apertúra optického vlákna je priamo úmerná druhej odmocnine rozdielu relatívneho indexu lomu. Inými slovami, čím väčší je rozdiel indexu lomu medzi jadrom vlákna a plášťom, tým väčšia je numerická apertúra optického vlákna a tým silnejšia je jeho schopnosť zhromažďovať svetlo.“
Šírenie svetla v optickom vlákne s odstupňovanou-farebnosťou
Index lomu jadra vlákna so stupňovitým -indexom nie je konštantný; postupne klesá so zväčšujúcim sa polomerom vlákna, kým sa nerovná indexu lomu plášťa, ako je znázornené na obrázku 2-8. Na analýzu šírenia svetla vo vlákne s odstupňovaným indexom možno použiť metódu podobnú „integrálnej definícii“ v matematike. Po prvé, jadro vlákna je rozdelené do mnohých sústredných tenkých valcových vrstiev. Každá vrstva je veľmi tenká a jej index lomu je v každej vrstve približne konštantný. Medzi susednými vrstvami je malý skokový rozdiel v indexe lomu.
Poludníková rovina a vrstvenie optického vlákna s odstupňovaným -indexom sú znázornené na obrázku 2-8. Indexy lomu každej vrstvy spĺňajú nasledujúci vzťah: n(rO) > n(r1)>n(r2)>n(r4)>…>n(r), Keď lúč svetla dopadá z koncovej plochy optického vlákna pod stredným uhlom, jeho šírenie vo viacvrstvovom optickom vlákne s rôznymi indexmi lomu je znázornené na obrázku 2-8. Keď lúč dopadá na rozhranie medzi vrstvami 1 a 2 pod uhlom dopadu 9, keďže lúč prechádza z hustejšieho prostredia do média s menšou hustotou, jeho uhol lomu θ bude väčší ako 9. Ako je znázornené na obrázku, tento lúč sa potom bude lámať na rozhraní medzi vrstvami 2 a 3 s novým uhlom dopadu 9 atď. Keďže svetlo sa vždy šíri z hustejšieho prostredia do prostredia s menšou hustotou, jeho uhol dopadu sa postupne zväčšuje, tj θ<><><><θ5", until="" at="" a="" certain="" interface="" (interface="" u="" in="" the="" diagram),="" the="" angle="" of="" incidence="" exceeds="" the="" critical="" angle,="" at="" which="" point="" total="" internal="" reflection="" occurs.="" afterward,="" the="" light="" travels="" along="" a="" perfectly="" symmetrical="" trajectory,="" layer="" by="" layer,="" from="" less="" dense="" to="" denser,="" towards="" the="" central="" axis.="" at="" this="" point,="" the="" angle="" of="" incidence="" decreases="" as="" the="" light="" propagates="" towards="" the="" center="" due="" to="" the="" increasing="" refractive="" index="" of="" each="" layer,="" and="" the="" light="" crosses="" the="" central="" axis.="" since="" the="" refractive="" index="" distribution="" below="" the="" central="" axis="" is="" exactly="" the="" same="" as="" above,="" after="" passing="" the="" central="" axis,="" the="" light="" is="" essentially="" propagating="" from="" a="" denser="" medium="" to="" a="" less="" dense="" medium="" again,="" and="" its="" angle="" of="" incidence="" gradually="" increases,="" subsequently="" undergoing="" total="" internal="" reflection="" and="" returning="" to="" the="" central="" axis.="" then,="" it="" again="" enters="" the="" interface="" of="" layers="" 1="" and="" 2="" at="" an="" angle="" θ,="" and="" the="" cycle="" repeats.="" in="" this="" way,="" light="" can="" be="" transmitted="" from="" one="" end="" to="" the="">
(Obrázok 2-8 Meridiánová rovina a vrstvenie optického vlákna s odstupňovaným pomerom)
