Направляющие системы передачи ВОЛС (стр. 2 из 3)
.Если угол падения больше
(луч 3), то луч не заходит во вторую среду, а полностью отражается вовнутрь первой среды. Именно этот принцип полного внутреннего отражения позволяет оптическим волокнам проводить свет.
В зависимости от величины угла
, который образует с осью лучи, выходящие из точечного источника в центре торца световода (рис. 3), возникают волны излучения 1, волны оболочки 2 и сердечника 3. В сердечнике и оболочке существует два типа лучей: меридиональные, которые пересекаются в некоторой точке с осью световода, и косые, которые с осью световода не пересекаются. Здесь показаны только мердиональные лучи. Если угол падения электромагнитной волны на границу сердечник-оболочка больше угла полного внутреннего отражения, то луч полностью отражается на границе и остается внутри сердечника (луч 3).Такое объяснение направляемости света основано на законах геометрической оптики и не учитывает свойств света как электромагнитной волны. Учет волновых свойств позволил установить, что из всей совокупности световых лучей в пределах угла полного внутреннего отражения для данного световода только ограниченное число лучей с дискретными углами может образовывать направляемые волны, которые называют также волноводными модами. Эти лучи характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений от границы сердцечник-оболочка волны должны быть в фазе. Если это условие не выполняется, то волны интерфирируют так, что гасят друг друга и исчезают. Каждая волноводная мода обладает характерной для нее структурой электромагнитного поля, фазовой и групповой скоростями.
Волны излучения рапределяются непрерывно по всей принадлежащей им области углов и образуют непрерывный спектр. Волны оболочки и волны излучения - паразитные волны, которые отбирают энергию источника возбуждения и уменьшают полезную энергию, передаваемую по сердечнику. Эти волны трудно полностью исключить при возбуждении световода. Кроме того, они также возникают на геометрических нерегулярностях световода и неоднородностях материала.
В зависимости от числа распространяющихся на рабочей частоте волн (мод) световоды разделяют на одно- и многомодовые. Число мод зависит от соотношения диаметра сердечника световода и длины волны и рассчитывается по формуле
,где а- радиус сердечника волокна,
- длина волны света, 
- относительная разность показателей преломления. 
.Так как n1 и n2 имеют очень близкие значения, номинальная величина
для большинства оптических волокон находится в пределах = 0,28 - 2,1%.Достоинством одномодовых световодов являются малая дисперсия (искажение сигналов), большая информационно-пропускная способность и большая дальность передачи. Одномодовые системы являются наиболее перспективным направлением развития техники передачи информации.
В многомодовых световодах импульс на приеме уширяется и искажается. Дисперсия в многомодовых световодах существенно ограничивает полосу передаваемых частот и дальность передачи.
Для характеристик световода важное значение имеет профиль показателя преломления в поперечном сечении. Если сердечник световода имеет постоянное по радиусу значение показателя преломления, то такие световоды называются световодами со ступенчатым профилем показателя преломления (наблюдается ступенька n на границе сердечник-оболочка).
Для борьбы с уширением импульсов в оптических волокнах со ступенчатым профилем показателя преломления разработан другой тип многомодового волокна, который нашел гораздо более широкое применение в дальней связи - оптические волокна с градиентным профилем показателя преломления. В таких стекловолокнах показатель преломления от центра сердечника к краю изменяется плавно. Ход лучей в градиентном световоде показан на рис. 6.
Лучи теперь изгибаются в направлении градиента показателя преломления (вместо преломления либо полного отражения, как в случае волокна со ступенчатым профилем).
В показатель преломления для градиентных световодов описывается функцией
,где r - текущий радиус;
n1 - наибольшее значение показателя преломления сердечника;
g - коэффициент, определяющий вид профиля показателя преломления.
При g=
формула описывает ступенчатый профиль показателя преломления. При g=2 световоды называют параболическими, так как профиль показателя преломления описывается параболой. На практике волокна с градиентным профилем показателя преломления имеют g около 1.92 и почти параболический профиль.Одномодовые волокна можно разделить на две категории: обычные или волокна с несмещенной дисперсией, которые выпускаются для аппаратуры, работающей на длине волны 1,3 мкм, и волокна со смещенной дисперсией, которые выпускаются для работы на длине волны 1,55 мкм. Понятия смещенной или несмещенной дисперсии связаны с длиной волны, на которой волокно имеет наибольшую полосу пропускания.
В отличии от многомодовых волокон, одномодовые волокна выпускают с различным профилем показателя преломления оболочки. При этом различают волокна с выровненной оболочкой, показатель преломления которой соответствует показателю преломления стекловолокон со ступенчатым профилем и выровнен с показателем преломления чистого кварца, и вдавленной оболочкой, в которой материал оболочки состоит из двух зон (рис. 7). Показатель преломления (n3) внутренней, соседней с сердечником зоны имеет значение меньше или вдавлен относительно показателя преломления внешней зоны, который равен показателю преломления чистого кварца (n2).
В волокнах со смещенной дисперсией показатель преломления сердцечника имеет более сложную форму. На рис. 8 приведены примеры профилей показателей преломления для выровненной и вдавленной оболочками и труегольным профилем показателя преломления сердечника.
В одномодовых волокнах со смещенной дисперсией для сложных профилей показателя преломления определение диаметра сердечника представляет определенные трудности, поэтому для таких световодов вводится понятие диаметра поля моды. Учитывая, что интенсивность света по сечению сердечника одномодового световода распределена неравномерно и подчиняется, как правило, нормальному закону, то радиальное расстояние, на котором интенсивность падает в 1/е2 = 0,135 относительно пикового значения называется радиусом поля моды и обозначается
. Удвоенная величина 2 и представляет собой диаметр поля моды (рис. 9).Важной характеристикой световода является числовая апертура NA (Numerical Aperture), которая представляет собой синус от апертурного угла
. Апертурный угол - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, воздействующего на торец световода.
Таким образом
,где n0 - показатель преломления окружающей среды.
В соответствии с законом Снеллиуса
, имеем 
От значения NA зависят эффективность ввода излучения лазера или светодиода в световод, потери на микроизгибах, дисперсия иимпульсов, число распространяющихся мод.