ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
По конструктивному исполнению и связанным с этим видам распространения энергии волоконные световоды можно разделить на следующие типы [14, 15]: однослойные (без оболочки) одномодовые (рис. 7.5а); двухслойные дискретные одномодовые (рис 7.5б); трехслойные дискретные одномодовые (рис. 7.5в); двухслойные дискретные многомодовые (рис. 7.5г); однослойные градиентные с плавным изменением показателя преломления по радиусу (рис. 7.5д); полые двухслойные с газовым или жидкостным наполнением (рис. 7.5г); с подвешенными внутри оболочки сердечниками в виде мембран, подвес (рис. 7.5ж).
Наибольшее распространение получили оптические волокна, имеющие диаметр сердечника 20—30 мкм, диаметр по оболочке 60—70 мкм (в случае двухслойного волокна). Промежуточным вариантом между двухслойным и градиентным волокном является трехслойное волокно, например, с диаметром сердечника 30 мкм, диаметрами оболочек 35 и 100 мкм при незначительной разнице в коэффициентах преломления слоев.
Рис. 7.5. Поперечное сечение волокон различных типов, профиль радиального распределения показателя преломления и принципы передачи энергии:
а) волокно из одного материала без оболочки (однослойное одномодовое); б) одномодовое волокно с оболочкой (двухслойное); в) одномодовое трехслойное волокно; г) многомодовое волокно с оболочкой; б) многомодовое градиентное волокно; е) полое двухслойное волокно с газовым или жидкостным наполнителем; ж) с подвешенными внутри оболочки сердечниками в виде мембран, подвес
В волоконном световоде, состоящем из градиентного волокна, коэффициент преломления плавно изменяется по поперечному сечению, имея максимальное значение в центре волокна на оптической оси и монотонно изменяясь от оси в направлении радиуса по какому-либо закону — параболы, экспоненты, квадрата и др. При распространении по градиентному волокну энергия концентрируется в центре волокна за счет большой оптической плотности материала. Число мод в градиентном волокне в 2 раза меньше, чем в двухслойном, а коэффициент затухания в 1,5—2 раза больше.
Для передачи изображения с высокой разрешающей способностью или большого количества информации тонкие цилиндрические световоды (волокна диаметром 5—15 мкм) объединяют в жгуты диаметром 2—5 мм. При тесном соприкосновении световодных волокон в жгуте на определенной длине вследствие нарушения явления полного внутреннего отражения часть световой энергии может переходить из одного волокна в другие. Передача энергии становится неравномерной по сечению, что может привести к искажению передаваемого сигнала. Для предотвращения просачивания энергии из одного волокна в другие каждое волокно жгута светоизолируют. Для этого их покрывают оболочкой из оптически прозрачного материала с меньшим значением показателя преломления по сравнению с показателем преломления материала сердечника. При полном внутреннем отражении энергии излучение проникает в оболочку на расстояние в несколько длин волн и быстро убывает.
Оболочки изготавливают также полупрозрачными или поглощающими свет. Излучение через них резко уменьшается. В этом случае можно получить минимальное искажение передаваемого сигнала. Наружные оболочки защищают световод от влияния окружающей среды в процессе эксплуатации. Применяются цилиндрические диэлектрические световоды с напыленным металлическим (серебряным или алюминиевым) покрытием.
Рис. 7.6. Механизмы распространения волн в оптических волноводах:
а) в однослойном однородном; б) в двухслойном; в) в градиентном; г), д), е), ж) — формирование пучка в зависимости от соотношения формы, геометрических размеров и значений показателя преломления;
1 — полная мощность; 2 — мощность при смещении нескольких мод; 3 — многомодовый режим; 4 — основная мода
Электромагнитная энергия распространяется в световоде, отражаясь от границы раздела сердечник — оболочка. Полное внутреннее отражение энергии происходит благодаря тому, что сердечник световода изготавливают из диэлектрического материала с более высоким показателем преломления, чем у материала оболочки. Кроме того, величина отраженной энергии зависит от ряда факторов: формы поперечного сечения и геометрических размеров волокон, соотношений геометрических размеров сердечника и оболочки, чистоты поверхности (рис. 7.6).
Рис. 7.7. Распространение луча по волоконному световоду: а) в режиме полного внутреннего отражения; б) в режиме неполного внутреннего отражения;
1 — сердечник; 2 — оболочка; 3 — луч; 4 — внеапертурный луч
