Принцип действия и основные характеристики волоконно-оптического кабеля

Введение и физическая основа. Принцип действия волоконно-оптического кабеля имеет фундаментальную аналогию с распространением волн в СВЧ волноводе, что облегчает понимание процессов передачи сигнала. Простейшая модель такого кабеля представлена на рис. 10.4, где демонстрируется базовый физический принцип. В этой модели пластина из оптически прозрачного материала с показателем преломления N1 помещена между двумя слоями материала N2, обладающего меньшей оптической плотностью. Световые лучи, падающие на границу раздела двух сред под сверхкритическим углом, испытывают явление полного внутреннего отражения. Данный эффект является краеугольным камнем для всей волоконно-оптической связи, обеспечивая минимальные потери при передаче информации.

Рис. 10.4. Модель волоконно-оптического кабеля

Эффективность и конструктивные особенности. Хотя на рис. 10.4 показан единичный акт отражения, на практике световой луч многократно повторяет этот процесс вдоль всего пути распространения. Энергетическая эффективность полного внутреннего отражения чрезвычайно высока и достигает 99,9% от исходного значения светового потока. Этот показатель существенно превосходит характеристики стандартных плоских зеркал, коэффициент отражения которых варьируется от 85% до 96%. Реальные конструкции кабелей для волоконно-оптической связи имеют не плоскую, а цилиндрическую геометрию, что наглядно отображено на рис. 10.5. Поперечное сечение демонстрирует отражение световых лучей в стекловолокне, которое является основой современной телекоммуникационной инфраструктуры.

Рис. 10.5. Отражение световых лучей в стекловолокне

Устройство оптоволокна и типы лучей. Конструкция, приведенная на рис. 10.5, известна как волоконно-оптический кабель с оболочкой или покрытием. Внутренний слой, именуемый сердцевиной, окружен внешним слоем материала с меньшей оптической плотностью, который называется внешней оболочкой. В таком кабеле существует два основных механизма распространения световой энергии. Более простой для понимания механизм реализуется посредством меридиональных лучей, которые распространяются в плоскости, проходящей через оптическую ось кабеля, что иллюстрирует рис. 10.6а. Данный тип лучей имеет хорошо разработанные математические модели, однако переносит меньшую часть энергии светового потока.

Рис. 10.6. Механизмы распространения светового потока в оптическом волокне

Косые лучи и приемный конус. Подавляющая часть энергии светового потока распространяется по механизму косых лучей, как показано на рис. 10.6б. Их траектория является винтовой, что существенно усложняет математическое описание процесса. Важным элементом системы ввода сигнала является приемный конус волоконно-оптического кабеля, схематично представленный на рис. 10.7. Этот конический участок расположен строго соосно с оптической осью кабеля и характеризуется приемным углом θa. Данный угол является критическим для перехода светового излучения из воздуха, где показатель преломления принят за n = na, в материал сердцевины с показателем преломления n = n1.

Рис. 10.7. Приемный конус волоконно-оптического кабеля

Апертурное число и его расчет. Светособирающая способность приемного конуса количественно выражается через апертурное число (NA - Numerical Aperture), определяемое формулой NA = sinθa (10-4). Угол преломления лучей на границе раздела сред рассчитывается с помощью фундаментального закона Снеллиуса (Snell's Law), представленного в выражении (10-5).

Математический анализ позволяет установить равенства углов: θa1 = θa2 (10-6) и θb1 = θb2 (10-7), а также вывести ключевое соотношение (10-8). Подстановка значений коэффициентов преломления окружающей среды и оболочки в формулу для апертурного числа приводит к общему выражению (10-9).

Практические параметры волоконно-оптических кабелей. Если волокно окружено воздухом, формула для апертурного числа существенно упрощается до вида (10-10).

Критические значения для углов преломления внутри оптического волокна, такие как θа1 и θа2, определяются исключительно соотношением коэффициентов преломления материалов сердцевины n1 и оболочки n2, что отражено в уравнении (10-11).

Типичные значения апертурного числа для современных волоконно-оптических кабелей лежат в диапазоне от 0,1 до 0,5. Стандартное многомодовое стекловолокно обладает диаметром D от 125 до 200 микрометров, при этом диаметр сердцевины составляет от 50 до 100 мкм.

Светособирающая способность и стандарты обозначений. В индустрии принята система обозначений, основанная на соотношении диаметров сердцевины и внешней оболочки, например, широко распространенный стандарт 50/125. Способность оптического устройства собирать световой поток, обозначаемая как ʆ, является критически важным параметром. Данная характеристика прямо пропорциональна квадрату произведения апертурного числа (NA) на диаметр стекловолокна (D), что описывается формулой ʆ ∝ (NA · D)² (10-12).

Таким образом, для увеличения эффективности ввода света в волокно необходимо оптимизировать как его геометрические размеры, так и материалы сердцевины и оболочки для достижения максимального значения NA.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.