РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПО СВЕТОВОДУ
На рис. 7.7α показано поперечное сечение двухслойного волоконного световода. Диэлектрический сердечник диаметром d1 с показателем преломления п1 окружен оболочкой диаметром d2 с меньшим показателем преломления п2, причем
Физически А0 характеризует способность волокна собирать поток лучей. Чем выше численная апертура, тем эффективнее волокно. Лучи, падающие на торец световода под углами φ>φ0, называются внеапертурными.
Рассмотрим двухслойный световод (рис. 7.7а). Для описания электромагнитного поля в рассматриваемом световоде используем цилиндрическую систему координат, ось которой совпадает с осью световода z [16—18]. Поле в сердечнике световода может быть описано следующей системой уравнений:
передача. Особенностью дипольных волн является отсутствие критической частоты в определенном диапазоне частот, позволяющее осуществлять передачу на любых частотах этого диапазона. Эффективность передачи растет с ростом частоты из-за большего сосредоточения поля в сердечнике световода и ослабления поля в оболочке и окружающем пространстве.
Из большого числа смешанных волн, передаваемых по световоду, наиболее часто используют волну типа HE11(EH10), обладающую большей широкополосностью по сравнению с другими типами волн. Распределение поля для смешанных типов волн значительно проще, если разница показателей преломления сердечника и оболочки незначительна. Оно может быть представлено выражениями:
Рис. 7.8. Структура поля в сердечнике двухслойного световода (в области длин волн, далеких от критической, и при близких значениях показателей преломления сердечника и оболочки):
а) для волны типа ТЕ02; б) для волны типа ΗΕ12; в) для волны типа ЕН11; г) для волны типа НЕ21
Структура поля в сердечнике световода может быть представлена графически с помощью силовых линий электрического и магнитного полей (рис. 7.8) [18]. Направление силовых линий в каждой точке указывает направление вектора напряженности, а густота линий характеризует величину напряженности. Представленная структура соответствует мгновенному распределению поля как в плоскости поперечного сечения световода, так и в двух продольных полуплоскостях в направлении распространения (оси z) на длине, равной λ/2.
Линии магнитного поля (в плоскости поперечного сечения представлены пунктирными линиями) замыкаются в продольных плоскостях (в направлении оси z). Линии электрического поля в плоскости поперечного сечения изображены сплошными линиями, а на продольных полуплоскостях — точками.
Графическое изображение полей в силу наглядности позволяет сравнить их распределение для различных типов волн.
Представляется удобным введение параметра, который как бы связывает между собой все исходные характеристики волокна, а именно диаметр волокна а, коэффициенты преломления материала сердечника п1 и оболочки п2, частоту f (или длину волны λ). Этот параметр называют нормированной частотой, он может быть выражен следующим образом:
(7.16)
Для основной волны типа НЕ11 значение критической нормированной частоты νкр=0, следовательно, волна этого типа может распространяться при любых значениях частоты и диаметра сердечника. Все другие типы волн могут распространяться только на более высоких частотах, когда появляются дополнительные моды (табл. 7.1). При значениях нормированной частоты в интервале 0<ν<2,405 в световоде распространяются лишь волны типа НЕ11.
Таблица 7.1
Число мод их типы
Распространение волн по оптическому волноводу возможно в определенном диапазоне частот — примерно в полосе от 1014 до
1015 Гц. Ширина рабочей полосы частот зависит в основном от фазовой и групповой скоростей распространяющихся мод и их спектрального состава.
Методы расчета волновой оптики, в отличие от методов расчета геометрической оптики, позволяют учесть число распространяющихся мод, их фазовые и групповые скорости. Примерное число мод можно определить по формуле
Неравенство фазовых скоростей передаваемого сигнала на различных частотах спектра приводит к его рассеиванию — дисперсии.
