Типи оптичних волокон

В залежності від характеру зміни показника розрізняють два типи світловодів: східчасті та градієнтні. Східчасті світловоди (рис. 2) мають постійне за радіусом значення показника заломлення, східець спостерігається тільки на межі осердя – оболонка. У градієнтному світловоді (рис. 3) показник заломлення плавно змінюється від центру до краю осердя. Поширення променів у цих двох типів світловодів різне. Розглянемо цей процес більш докладніше.

Нехай у центр торця східчастого світловоду (рис.2) падає промінь Ф₁ під деяким кутом φ₁ до його осі. За законами геометричної оптики на межі осердя – оболонка (точка А ) можуть бути падаючий промінь під кутом φ_п, відбитий під кутом φ_в та заломлений під кутом φ_з. Заломлений промінь знову набуває такого самого ж відбиття у точці В на межі оболонка – покриття. Отже, у світловоді існують три види променів (хвиль): осердя 1, оболонки 2, випромінювання З. Для ефективного поширення та запобігання переходу енергії в оболонку та навколишній простір необхідно усунути хвилі 2 і З. А це досягається за умов повного внутрішнього відбиття на межі розділу двох середовищ:

1) перехід променів здійснюється із середовища з більшою оптичною густиною у середовище з меншою густиною, тобто n₁ > n₂;

2) кут падіння φ_п більший деякого кута повного внутрішнього відбиття θ_в.в, який визначається за співвідношенням:

. (1)

При φ_п > θ_в.в (промінь Ф₂ рис. 2) енергія, яка надійшла в осердя, повністю відбивається і зигзагоподібно поширюється світловодом.

Режим повного внутрішнього відбиття дотримується, якщо на вхідний торець світловоду подавати світловий промінь у межах тілесного кута θ_а. Цей тілесний кут між оптичною віссю світловоду й однією з твірних світлового конуса, в межах якого має місце повне внутрішнє відбиття, називають апертурою. Для характеристики світловоду зазвичай користуються числовою апертурою

. (2)

Від значення числової апертури залежать ефективність введення випромінювання у світловод, втрати на мікрозгинах та інші параметри світловоду.

У градієнтному світловоді промені не відбиваються, як це має місце у світловоді зі східчастим профілем, а вигинаються у напрямку градієнта показника заломлення (рис. 3). Внаслідок цього промені, які знаходяться всередині апертурного кута, поширюються осердям хвилеподібними траєкторіями. При вході променя з торця світловоду в осердя під кутом, більшим апертурного (промінь Ф₁ рис. 3), будуть існувати також промені оболонки 2 та випромінювання 3. Характерною особливістю градієнтних світловодів є менші спотворення сигналів, які передаються по них.

Отже, у східчастому багатомодовому світловоді промені різко відбиваються від межі сердечник – оболонка. Причому шляхи проходження різних променів є різними і тому вони в кінець приходять із запізненням (зі зсувом у часі). Це призводить до спотворення сигналу (дисперсії). У градієнтних світловодах (вони також багатомодові) промені розповсюджуються по хвилеподібних траєкторіях. Причому, промені, які знаходяться близько до осі світловоду (біля центру сердечника ОВ )проходять менший шлях, але у середовищі з більшим n заломлення(більші значення магнітної та діелектричної проникності), тобто з меншою швидкістю, а периферійні промені проходять більший шлях, але у середовищі з меншим n заломлення тобто з більшою швидкістю. Таким чином, одні хвилі мають довший шлях, але більшу швидкість, а другі мають менший шлях, але більшу швидкість. Одне компенсує інше і в точку прийому різні хвилі приходять приблизно одночасно, що суттєво зменшує дисперсію ОВ.( швидкість розповсюдження різних променів вирівнюється і вони до кінця відстані приходять практично однаково).

В свою чергу ступінчаті ОВ поділяються на одномодові (1) та багатомодові (2)(рисунок 4) Одномодові мають малий діаметр сердечника (8 – 10 мкм) і довжина хвилі наближена до діаметру сердечника ОВ. Напрям променя світла в сердечнику ОВ наближений до напряму осі ОВ (1б).

В багатомодових ОВ діаметр сердечника ОВ набагато більше – 50 – 62,5 мкм і він більший в декілька раз за довжину хвилі. В ньому розповсюджуються багато типів хвиль (мод), що по різному проходять свій шлях (під різним кутом відбиваються, різний шлях їх проходження по ОВ) (2б), що може суттєво збільшити дисперсію. В градієнтних ОВ, що також відносяться до багатомодових ОВ, завдяки зміні коефіцієнту заломлення від центру сердечника до його периферії, промінь плавно змінює свій напрям (3б).

Одномодові ОВ мають малі загасання та дисперсію, що дозволяє їх використовувати без регенерації сигналу на віддалі до 100 км ( без НРП та без ДЖ). Кабелі з одномодовими ОВ використовуються як міжміські кабелі. Багатомодові ОВ мають значні загасання та дисперсію, а звідси і невелику дальність передачі, що дозволяє їх використовувати в міських кабелях.

В одномодових ОВ виникають труднощі з введенням в ОВ світлової енергії завдяки малому діаметру сердечника ОВ. Як джерело випромінювання в цьому разі обов’язково використовується джерело когерентного світла порівняно великої потужності – напівпровідниковий лазер. В багатомодових ОВ джерелом випромінювання може бути світло діод.