3.1.1 Основные законы волоконной оптики

Свет представляет собой один из видов электромагнитной энергии, также как радиоволны, теле-, радио- и радиолокационные сигналы. Электромагнитные волны (рис. 3.1) представляют собой переменные магнитные и электрические поля, перпендикулярные друг другу и направлению распространения (рис. 3.1).

Рис. 3.1 Электромагнитная волна

Главное отличие различных электромагнитных волн заключается в их частоте или длине волны. Частота определяется числом синусоидальных колебаний за секунду и выражается в герцах (Гц). Длина волны - это расстояние между идентичными точками двух последовательных волн (или расстояние, которое проходит волна за один цикл колебаний). Длина волны и частота взаимосвязаны. Длина волны (λ) равна скорости волны (ν), деленной на ее частоту (f):

λ=ν/f

Волны оптического диапазона можно разделить на три больших группы: инфракрасные, видимый свет с длинами волн от приблизительно 400 до 700 нм, и ультрафиолетовые. Длина волны, используемая в волоконной оптике, соответствует характеристикам передачи конкретного волокна. Большинство оптических волокон используют кварцевое стекло, которое наиболее прозрачно в ближней инфракрасной зоне, от 700 до 1600 нм. Пластиковые волокна лучше всего работают в видимой зоне.

Оценим ширину полосы оптического диапазона от λ₁ = 750 нм до λ₂ = 860 нм (приблизительно первое окно прозрачности). Зная скорость света с = 3*10 8 м/с, получим соответственно f₁ = 4*10¹⁴ Гц = 400 ТГц и f₂ = 350 ТГц. Следовательно, частотный интервал ΔF=50 ТГц. Для сравнения: весь диапазон частот - от звукового диапазона до верхней частоты СВЧ диапазона составляет только 30 ГГц, то есть в 1600 раз меньше оптического. Число ТВ каналов, которое умещается в этом частотном интервале, составит m = 5*10⁶. Это говорит о колоссальной емкости оптического волокна.

Электромагнитная природа оптического (светового) излучения означает, что строгое исследование процесса распространения световых волн в ОВ может быть выполнено лишь на основе уравнений электродинамики (уравнений Максвелла). Это сложная задача даже при рассмотрении простейших ОВ. Поэтому процесс распространения световых волн рассмотрим методами геометрической оптики, которые отличаются простотой и наглядностью.

Известно, что в геометрической оптике световые волны изображают лучами, направленными по нормали к волновой поверхности. В оптически однородных средах лучи прямолинейны. При падении световой волны на плоскую границу раздела двух оптически прозрачных диэлектриков в общем случае появляются отраженная и преломленная (прошедшая) волны.

В соответствии с законами Снеллиуса угол падения φ связан с углами отражения φ_отр, преломления φ_пр (рис. 3.2, а) следующими соотношениями:

φ= φ_отр, n₁sinφ = n₂sinφ_np,    (3.1)

где n₁ и n₂ - показатели преломления смежных сред.

Рис. 3.2 Пояснение волновых процессов на границе двух сред при n₁ > n₂

Если n₁ > n₂, т.е. световая волна падает из оптически более плотной среды на границу раздела с оптически менее плотной средой, то, согласно (3.1), всегда существует критический (предельный) угол падения φ = φ_кр, при котором φ_пр= π/2, т.е. преломленная волна распространяется вдоль границы раздела сред:

sinφ_кр= n₂/n₁, φ_кр= arcsin(n₂/n₁).

Предельный режим показан на рисунке 3.2, б.

При всех углах падения φ > φ_кр преломленная волна отсутствует, и свет полностью отражается от поверхности оптически менее плотной среды (рис. 3.2, в). Это явление называется полным внутренним отражением.

Таким образом, как фактически распространяется свет по ОВ, лучше всего объяснить, используя закономерности геометрической оптики и закон Снеллиуса. Упрощенно можно сказать, что когда свет переходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, преломленный луч отклоняется от нормального. Чем больше становится угол падения на границу раздела, тем больше отклоняется преломленный луч от нормального луча, до тех пор, пока преломленный луч не достигает угла в 90°, по отношению к нормальному, и начинает скользить по поверхности раздела.