Технические примечания по оптоволоконному кабелю

1. Базовая структура оптического волокна

Оптическое волокно представляет собой высокопрозрачное стекловолокно, полученное из кварцевого материала. По поперечному сечению оптическое волокно состоит из трех частей: сердцевины с более высоким показателем преломления, оболочки с более низким показателем преломления и защитного покрытия на поверхности. Распределение показателя преломления обычно одинаково в направлении оптической оси.

В зависимости от различного радиального распределения показателя преломления в сердцевинной области оптические волокна можно разделить на два типа.Оптические волокна с различным распределением показателя преломления имеют совершенно разные характеристики передачи. На рисунке 1 показано распределение показателя преломления этих двух поперечных сечений волокна. Показатель преломления остается постоянным в сердцевине (в пределах радиуса площади), а волокно с резким изменением на границе раздела сердцевины и оболочки называется ступенчатым волокном; волокно с показателем преломления постепенно уменьшается по определенному закону . Правило в сердцевине называется градуированным волокном.

Рисунок 1. Распределение поперечного сечения и показателя преломления ступенчатого волокна (слева) и волокна с градиентным показателем преломления (справа)

  В качестве волновода для волн передачи луча обычно используются оптические волокна двух основных типов: одномодовое оптическое волокно и многомодовое оптическое волокно. Волокна, которые могут распространять только одну моду, называются одномодовыми. Показатель преломления стандартного одномодового волокна (SMF) имеет ступенчатое распределение, диаметр сердцевины небольшой, диаметр модового поля обычно составляет 4–10 мкм, а свет распространяется линейно в осевом направлении. Многомодовое волокно (MMF) имеет большой диаметр сердцевины и может распространять сотни и тысячи мод. По разнице радиального распределения показателя преломления в сердцевине и оболочке его можно разделить на ступенчатые многомодовые волокна и градуированные многомодовые волокна. .

2. Принцип работы – полное отражение

 Когда световая волна падает из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, на границе происходит отражение и преломление. Когда угол падения превышает критический угол θc, произойдет полное отражение, как показано на рисунке. 2. Следовательно, для определенной структуры оптического волокна по оптическому волокну могут эффективно передаваться только световые волны, которые соответствуют определенным условиям.Эти конкретные электромагнитные волны называются модами волокна. Число мод, которые могут передаваться в свете, зависит от конкретной структуры волокна и радиального распределения показателя преломления.

Рис. 2. Демонстрационная схема принципа полного отражения, n1<n2, θc – критический угол

(а) θI＜θc; (б) θI=θc; (в) θI＞θc

Грубое понимание режима волокна: свет вводится в волокно под определенным углом падения, между волокном и оболочкой происходит полное отражение, и он может распространяться в волокне, что называется модой. Когда диаметр оптического волокна больше, оно может позволять свету проникать и распространяться под разными углами падения, что называется многомодовым волокном; когда диаметр мал, оно позволяет свету проходить только в одном направлении, что называется одномодовым волокном. Поскольку многомодовое оптическое волокно может вызывать сложные проблемы, такие как помехи и помехи, оно уступает одномодовому оптическому волокну с точки зрения полосы пропускания и емкости. Большинство оптических волокон, используемых в реальной связи, являются одномодовыми оптическими волокнами.

3. Численный расчет апертуры светопропускания в оптических волокнах.

Рисунок 3. Условия передачи по оптоволоконному кабелю

 На примере ступенчатого волокна, как показано на рисунке 3, меридианные лучи (любая плоскость, проходящая через центральную ось волокна, может называться меридиональной плоскостью, а лучи в меридианной плоскости называются меридианными лучами) падают из воздуха. под разными углами α на торце волокна. К сердцевине волокна (n0<n1) в волокне может передаваться только преломленный свет, генерируемый, когда свет в определенном диапазоне углов инжектируется в волокно. Свет с углом падения θ≥θc (критический угол) на торцевую поверхность волокна будет подвергаться полному отражению, тогда как свет с θ<θc попадет в оболочку и выйдет наружу. Следовательно, для того, чтобы свет мог передаваться по оптическому волокну, угол падения должен быть таким, чтобы оптическое волокно, входящее в оптическое волокно, претерпевало полное отражение в оптическом волокне и возвращалось в сердцевину волокна. Его путь передачи имеет форму зигзагообразная линия.Как видно из рисунка 3, максимальное значение αmax должно быть таким, чтобы θ =θc.

 На границе n ₀ /n ₁ согласно закону Снеллиуса получим

Когда происходит полное отражение,

Подставив это уравнение в приведенное выше уравнение, получим

Когда свет попадает в оптоволокно из воздуха, n0=1, поэтому

Определите числовую апертуру (NA) как

Среди них Δ=(n1-n2)/n1 — относительная разность показателей преломления между сердцевиной и оболочкой (разница показателей преломления между оболочкой и сердцевиной очень мала).

 Из вышеизложенного видно, что взаимосвязь между углом падения и числовой апертурой оптического волокна равна:

Максимальный угол падения света, выраженный числовой апертурой, равен αmax, а угол 2αmax называется апертурным углом падающего оптического волокна, который связан с числовой апертурой оптического волокна и показателем преломления излучающей среды n0. В оптическом волокне может распространяться только свет, падающий внутри конуса с апертурным углом 2αmax.

4. Две формы передачи света в оптических волокнах.

1. Меридиональное распространение света.

 Согласно закону отражения света, падающий свет, отраженный свет и нормаль к интерфейсу находятся в одной плоскости.Когда свет отражается от границы раздела сердцевина-оболочка оптического волокна, нормаль к интерфейсу является радиальной. направление ядра. Следовательно, падающее волокно меридианного луча, отраженный луч и нормаль границы раздела находятся внутри плоскости меридиана, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Распространение меридионального света в ступенчатом оптическом волокне.

2. Наклонное распространение света

       Лучи света в оптических волокнах, не лежащие в плоскости меридиана, являются косыми лучами. Оно не параллельно и не пересекается с осью оптического волокна, а его оптический путь представляет собой пространственную спиральную линию сгиба. Эта линия сгиба может быть как левосторонней, так и правосторонней, она находится на равном расстоянии от центральной оси оптического волокна, то есть косой свет распространяется по спирали вокруг оси оптического волокна.

Рисунок 5. (а) Наклонная траектория распространения света в осевом направлении оптического волокна, (б) Вид оптического волокна в поперечном сечении