Оптическое волокно

в предыдущей главе обсуждались наиболее важные с точки зрения работы оптического волокна характеристики процесса распространения света. Отражение и преломление зависят от показателей преломления граничащих сред и угла падения света на границу. Работа волокна основана на тех же принципах. В нормальных условиях свет, захваченный волокном, продолжает отражаться от его границ по мере распространения. В этой главе описывается распространение света вдоль различных оптических волокон. В следующей главе будет продолжено обсуждение свойств волокон.

Следует помнить о различии между оптическим волокном и волоконно-оптическим кабелем. Оптическое волокно представляет собой элемент, переносящий сигнал, подобный металлическому проводнику в проводе. Как правило, волокно используется в виде кабеля, то есть окружено защитной оболочкой, предохраняющей его от механических повреждений и воздействий окружающей среды. В этой главе в основном будет рассматриваться само волокно.

Принципиальное устройство волокна

Оптическое волокно имеет два концентрических слоя - ядро (сердцевина) и оптическая оболочка. Внутреннее ядро предназначено для переноса света. Окружающая его оптическая оболочка имеет отличный от ядра показатель преломления и обеспечивает полное внутреннее отражение света в ядро. Показатель преломления оптической оболочки менее чем на 1% меньше показателя преломления ядра. Характерные величины показателей преломления - 1.47 для ядра и 1.46 - для оптической оболочки. Производители волокна строго контролируют разность показателей для получения нужных характеристик волокна.

Волокна имеют дополнительную защитную оболочку вокруг оптической оболочки. Защитная оболочка, представляющая собой один или несколько слоев полимера, предохраняет ядро и оптическую оболочку от воздействий, которые могут повлиять на их оптические свойства. Защитная оболочка не влияет на процесс распространения света по волокну, а всего лишь предохраняет от ударов.

Защитная оболочад

Оптичеосая Ядро оболочка

Свет с углом, меньший критического, поглоирется защитной оболочкой

Угон падения

\.. Защитная оболочка Угол отражения

Свет распространяется за счет полного BHtwero отражения

Рис. 5.1. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне (рисунок предостаапен AMP Incorporated)

На рис. 5.1 представлена схема распространения света по волокну. Свет заводится внутрь волокна под углом, большим критического, к границе ядро/оптическая оболочка и испытывает полное внутреннее отражение на этой границе. Поскольку углы падения и отражения совпадают, то свет и в дальнейшем будет отражаться от границы. Таким образом, луч света будет двигаться зигзагообразно вдоль волокна.

Свет, падаюш;ий на границу под углом, меньшим критического, будет проникать в оптическую оболочку и затухать по мере распространения в ней. Оптическая оболочка обьгано не предназначен для переноса света, и свет в ней достаточно быстро затухает.

Отметим, что в ситуации, представленной на рис. 5.1, свет будет также преломляться на границе воздух/волокно. И только после этого его распространение будет происходить в соответствии с законом Снелла и значениями индексов преломления ядра и оптической обблочки.

Внутреннее отражение служит основой для распространения света вдоль обьганого оптического волокна. В этом анализе, однако, учитываются только меридианные лучи, проходшцие через центральную ось волокна после каждого отражения. Другие лучи, называемые асимметричными, движутся вдоль волокна, не проходя через его центральную ось. Траектория асимметричных лучей представляет собой спираль, накручиваюш;уюся вокруг центральной оси. Асимметричные лучи, как правило, игнорируются в анализе большинства волоконно-оптических процессов.

Специфические особенности движения света вдоль волокна зависят от многих факторов, включая:

Размер волокна

Состав волокна

Процесс инжекции света внутрь волокна

Понимание взаимного влияния этих факторов проясняет многие аспекты волоконной оптики.

Волокна сами по себе имеют чрезвычайно малый диаметр. На рис. 5.2 представлены поперечные сечения и диаметры для ядра и оптической обо-

3 Зак. 684

-Оттаял оболочка

Рис. 5.2. Типичные диаметры ядра и оптической оболочки

лочки четырех наиболее распространенных видов волокон. Диаметры ядер и оптических оболочек след)тощие:

Ядро (мкм) Оптическая оболочка (мкм)

8 125

50 125

62.5 125

100 140

Для наглядного представления мизерности этих размеров укажем, что человеческий волос имеет диаметр около 100 микрон. При указании размеров волокна вначале приводится значение диаметра ядра, а затем оптической оболочки: итак, 50/125 означает диаметр ядра 50 микрон и диаметр оптической оболочки 125 микрон; 100/140 означает диаметр ядра 100 микрон и оптической оболочки 140 микрон. Таким образом, именно столь малые размеры позволяют передавать тысячи телефонных переговоров.

Классификация волокон

Оптические волокна могут быть классифицированы по двум параметрам. Первый - материал, из которого сделано волокно:

Стеклянные волокна имеют как стеклянное ядро, так и стеклянную оптическую оболочку. Поскольку данный тип волокон получил наибольшее распространение, основное место в данной книге будет по-свяш;ено именно этому типу волокон. Стекло, используемое в данном типе волокон, состоит из сверхчистого сверхпрозрачного диоксида кремния или плавленого кварца. Если бы морская вода была столь прозрачной, как волокно, то можно бьшо бы увидеть дно самой глубокой, 33.177 футовой Марианской впадины, расположенной в Тихом океане. В стекло добавляют примеси, чтобы получить требуемый показатель преломления. Германий и фосфор, например, увеличивают показатель преломления, а бор и фтор, напротив, уменьшают его. Кроме того, в стекле присутствуют другие примеси, не извлеченные в процессе очистки. Они также влияют на свойства волокна, увеличивая затухание, обусловленное рассеянием и поглош;ением света.

Стеклянные волокна с пластиковой оптической оболочкой (PCS) имеют стеклянное ядро и пластиковую оптическую оболочку. Их ха-