Световоди 1174
За предаване на оптични сигнали най-често се използват повърхностни вълноводи, наричани още световоди. Има филмови и влакнести световоди: влакнестите световоди, използвани във влакнесто-оптични комуникационни линии, са най-широко използвани.
Влакнестият световод се състои от диелектрична сърцевина и обвивка. Коефициентите на пречупване на сърцевината и обвивката са равни съответно на и и . За защита от външни влияния и увеличаване на механичната якост на световода върху външната повърхност е нанесено полимерно покритие (не е показано на фигурата). Коефициентите на пречупване са избрани по такъв начин, че когато светлината се разпространява по дължината на влакното, на границата между сърцевината и обвивката възниква пълно вътрешно отражение, така че цялата енергия, пренесена през влакното, се концентрира в сърцевината и обвивката. Всякакво покритие може да се нанесе върху външната страна на корпуса.
Обикновено стъклото се използва като диелектрик, от който е направена сърцевината на влакното, понякога за тази цел се използват различни полимери. По правило стъклото се използва и като обвивен материал, понякога полимери. Коефициентът на пречупване на черупката е постоянен и индексът на пречупване може да бъде или постоянна стойност, или функция на напречната координата. Понастоящем са получени оптични влакна на базата на кварцово стъкло с достатъчно ниски загуби в определени области на оптичния спектър, наречени прозорци на прозрачност, обикновено за дължини на вълните от 0,85 μm, 1,3 μm и 1,5 μm. Тези честотни диапазони се използват за предаване на сигнали през оптични влакна.
E-, H- и хибридните вълни могат да се разпространяват по оптичен световод, както по диелектричен вълновод. Тъй като критичните дължини на вълните в диелектричен вълновод зависят не само от диаметърана сърцевината, но също и върху разликата в показателите на пречупване , тогава, чрез избор на достатъчно близки по големина и , е възможно да се осигури режим на работа на влакното с една дължина на вълната или близък до нея при достатъчно големи стойности (много по-дълги дължини на вълната). Последното обстоятелство е много важно поради много малката дължина на вълната на светлинното излъчване (μm). Като правило, влакната с една дължина на вълната, използвани на практика или, както се наричат, едномодови влакна, работещи на основната вълна на диелектричен вълновод, имат μm и μm, докато стойностите и се различават с не повече от 3%.
Фигура 46 - Едномодово влакно
Едномодовото влакно, като всеки диелектричен вълновод, има дисперсия, тъй като фазовата скорост на основната вълна зависи от честотата, а индексът на пречупване на стъклото е функция на честотата. Дисперсията ограничава обхвата на честотите, предавани през влакното, тъй като въвежда изкривяване в предаваните сигнали. Ако към входа на влакното се приложи сигнал под формата на импулс, тогава докато се разпространява, този импулс ще се разшири и стойността на разширението зависи както от степента на дисперсия, така и от дължината на пътя, изминат от сигнала по влакното.
Доста малките напречни размери на сърцевината на едномодовите влакна причиняват доста сериозни трудности при тяхното производство, което значително увеличава производствените разходи. В допълнение, малкият диаметър на сърцевината възпрепятства ефективното вкарване на енергия от източника във влакното и налага много строги изисквания към устройствата за свързване на такива влакна. По правило трябва да се използват скъпи полупроводникови лазери за възбуждане на едномодови влакна. Следователно, едномодовите оптични влакна се използват, когато е необходимо да се предават значителни количества информация на достатъчно големи разстояния (повечестотици или хиляди километри).
За предаване на малки количества информация на не много големи разстояния (няколко десетки километра) се използват многомодови оптични влакна, които като правило имат микрони и микрони (Фигура 47). Производството на такива влакна е много по-просто и по-евтино. Увеличаването на диаметъра на сърцевината в сравнение с едномодовото влакно осигурява две предимства: способността на такива влакна да работят с евтини некохерентни източници на излъчване (LED) и по-малко строги изисквания за устройства за свързване на влакна. Поради значителната дебелина на сърцевината, през многомодовото влакно могат да се разпространяват много видове вълни (от порядъка на 1000), които пренасят предаваните сигнали. Всяка от разпространяващите се вълни може да бъде представена чрез частични вълни (лъчи), движещи се под определен ъгъл спрямо нормалата към интерфейса ядро-черупка. Фигура 47 показва три лъча, съответстващи на три вълни, разпространяващи се през влакното.
Фигура 47 - Многомодово влакно
За да се поддържа достатъчно голям диаметър на сърцевината (както при многомодовото влакно) и в същото време да се намали величината на дисперсията на модата, на практика се използват така наречените градиентни влакна (Фигура 48).
Фигура 48 - Градиентен светлинен водач
Както следва от законите на Снел, ако плоска вълна падне върху интерфейса между две среди от по-плътна среда ( ) под ъгъл (или под ъгъл спрямо интерфейса), тогава посоката на разпространение на пречупената вълна ще направи ъгъл по-малък, отколкото с интерфейса, тъй като в този случай . Ако падащата равнинна вълна се разпространява в среда с по-малка плътност (), тогава посоката на разпространение на пречупената вълна ще образува ъгъл с интерфейса, по-голям от . По тозиВъз основа на това може да се твърди, че ако плоска вълна се движи в среда с плавно променящ се показател на пречупване под определен ъгъл спрямо посоката на промяна на стойността на , тогава в общия случай посоката на разпространение на вълната ще бъде плавно извита. Следователно в градиентно влакно траекториите на лъчите, съответстващи на различни видове вълни и насочени под различни ъгли спрямо оста на сърцевината, ще бъдат криволинейни (Фигура 48): колкото по-голям е ъгълът с оста е посоката на лъча, толкова по-дълга е траекторията, която се разпространява, и обратно. Въпреки това, лъчът с най-дълъг път ще има най-високата средна фазова скорост, тъй като неговият път минава през областите на сърцевината с най-нисък индекс на пречупване (близо до обвивката). Спомнете си, че фазовата скорост на плоска вълна е обратно пропорционална на величината на средата. От своя страна лъчът, разпространяващ се по оста на сърцевината, има най-ниската фазова скорост, тъй като траекторията му преминава през областта на сърцевината с най-висока стойност на . Фазовото изместване, изпитвано от всеки лъч, докато преминава през крайната дължина на влакното, е право пропорционално на дължината на пътя и обратно пропорционално на средната фазова скорост на лъча. Следователно, чрез избор на стойност е възможно значително да се намали разликата във фазовите отмествания, получени от различни лъчи по време на преминаването на краен сегмент от влакна, т.е. намаляване на разликата във фазовите скорости на различните вълни в градиентното влакно.
Най-често използваните градиентни влакна с, наречени параболични. В сравнение с многомодовите влакна, такива влакна имат значително по-ниска модална дисперсия, което ги доближава до едномодовите влакна.