Принципы функционирования световых волноводов

Наиболее общими требованиями к оптоволокну или другой диэлектрической структуре являются:

1. способность эффективно передавать световую энергию вдоль структуры (выдерживать большие плотности светового потока).

2. иметь минимальные потери в процессе распространения света.

Принципы распространения световой энергии внутри оптоволоконной или иной диэлектрической структуре базируются на фундаментальной электродинамической основе, однако, многие процессы распространения света можно понять, используя понятия геометрической оптики. Закон Снелла утверждает, что при прохождении светового пучка через границу двух оптически прозрачных сред, характер преломления светового луча подчиняется следующему соотношению:

, (1)

где n₁ – показатель преломления первой среды, α – угол преломления светового луча, n₂ – показатель преломления второй среды, α – угол преломления светового луча. Луч света, падающий на границу раздела, частично отражается от границы раздела и, преломляясь, переходит в другую среду (рис.7). По мере увеличения угла падения из второй среды в первую наступает ситуация, когда луч уже не может проникать в первую среду. Этот угол – β_с называется углом полного внутреннего отражения. Очевидно, что это явление может осуществляться только при условии n₂>n₁. При этом α=α_c=90^⁰ и sinα_c=1. Условие реализации полного внутреннего отражения записывается в виде:

, (2)

где θ – угол, дополнительный углу β_c.

рис.7. Преломление, отражение и полное внутреннее отражение от границы двух оптических сред.

Если угол падения β>β_с, то отраженный от границы раздела световой луч распространяется только во второй среде. Если при этом вторую среду ограничить снизу дополнительной границей раздела с показателем преломления n₁, то световой луч будет ограничен в своем распространении только средой 2. В этом состоит принцип направленного распространения светового луча вдоль оптоволокна или в оптических световых волноводах.

рис.8. Схема распространения света в оптоволокне.

Из рассмотрения рис.8 легко понять, что максимальный угол, при котором исходный луч со стороны торца оптоволокна относительно оптической оси может распространяться в объеме сердцевины, имеет вполне определенное значение (здесь n₁ – показатель преломления сердцевины оптоволокна, а n₂ – показатель преломления оболочки):

, (3)

если n₁ мало отличается от n₂.

Все световые лучи, направляемые на торец оптоволокна под углами меньшими, чем этот угол (по отношению к оптической оси), будут распространяться вдоль волокна, бесконечно отражаясь от границы раздела. Т.к. поглощение и рассеяние света мало в этом случае, то свет распространяется на очень большие расстояния. Характеристикой световых потерь обычно служит величина затухания энергии светового потока, выраженная в Дб/км:

или , (4)

где E₂/E₁ – отношение интенсивности светового потока после прохождения светом 1 км.

Как указывалось, затухание света в световом волокне составляет величину порядка L= 0.2 дБ/км. В этом случае E₂/E₁=0.955 после прохождения светом 1 км.

Величина (3), в силу ее важности, носит специальное название – числовая апертура волокна (обозначается как NA), т.е. NA=(n₁²-n₂²)^1/2. Удобно также ввести следующий относительный параметр (относительная апертура):

. (4)

Последнее соотношение справедливо в силу того, что показатели преломления сердцевины волокна и оболочки отличаются очень незначительно.