Реконструкция волоконно-оптической линии связи (стр. 4 из 13)
2.2. Оптическое волокно. Общие положения
Важнейший из компонентов ВОЛС - оптическое волокно. Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения в них излучения.
Оптическое волокно (рис. 2.1) состоит изсердцевины, по которой происходит распространение световых волн, и оболочки, предназначенной, с одной стороны, для создания лучших условийотражения на границе раздела «сердцевина - оболочка», а с другой - для снижения излучения энергии в окружающее пространство. С целью повышения прочности и тем самым надежности волокнаповерх оболочки, как правило, накладываютсязащитные упрочняющие покрытия.
Рис 2.1. Общий вид типового ОВ.
 |
Такая конструкция ОВ используется в большинстве оптических кабелей (ОК) в качестве базовой [5]. Сердцевина изготавливается из оптически более плотного материала. Оптические волокна отличаются диаметром сердцевины и оболочки, а также профилем показателя преломления сердцевины, т.е. зависимостью показателя преломления от расстояния от оси ОВ (см. рис 2.3).
Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые MMF (multimodefiber) и одномодовые SMF (singlemodefiber). В многомодовых ОВ, имеющих диаметр светонесущей жилы на порядок больше длины волны передачи, распространяется множество различных типов световых лучей - мод. Многомодовые волокна разделяются по профилю показателя преломления на ступенчатые (stepindexmultimodefiber) и градиентные (gradedindexmultimodefiber).
2.3. Распространение световых лучей в оптических волокнах
Основными факторами, влияющими на характер распространения света в волокне, наряду с длиной волны излучения, являются: геометрические параметры волокна, затухание, дисперсия.
 |
Рис. 2.2. Распространение излучения по ступенчатому и градиентному многомодовым и одномодовому ОВ.
Принцип распространения оптического излучения вдоль оптического волокна основан на явлении полного внутреннего отражения на границе сред с разными показателями преломления. Процесс распространения световых лучей в оптически более плотной среде, окруженной менее плотной показан на рис. 2.2. Угол полного внутреннего отражения, при котором падающее на границу оптически более плотной и оптически менее плотной сред излучение полностью отражается, определяется соотношением:
, (2.3.1)где n1 - показатель преломления сердцевины ОВ, n2 - показатель преломления оболочки ОВ, причем n1 > n2. При попадании светового излучения на торец ОВ в нем могут распространяться три типа световых лучей, называемые направляемыми, вытекающими и излучаемыми лучами, наличие и преобладание какого-либо типа лучей определяется углом их падения на границу раздела «сердцевина - оболочка». Те лучи, которые падают на границу раздела под углом
(лучи 1, 2 и 3), отражаются от нее и вновь возвращаются в сердцевину волокна, распространяясь в ней и не претерпевая преломления. Так как траектории таких лучей полностью расположены внутри среды распространения — сердцевины волокна, они распространяются на большие расстояния и называются направляемыми.Лучи, падающие на границу раздела под углами
(лучи 4), носят название вытекающих лучей (лучейоболочки). Достигая границы «сердцевина - оболочка», эти лучи отражаются и преломляются, теряя каждый раз в оболочке волокна часть энергии, в связи с чем исчезают вовсе на некотором расстоянии от торца волокна. Лучи, которые излучаются из оболочки в окружающее пространство (лучи 5), носят название излучаемых лучей и возникают в местах нерегулярностей или из-за скручивания ОВ. Излучаемые и вытекающие лучи являются паразитными и приводят к рассеиванию энергии и искажению информационного сигнала.2.4. Моды, распространяющиеся в оптических волноводах
В общем случае распространение электромагнитных волн описывается системой уравнений Максвелла в дифференциальной форме:
(2.4.1)где
- плотность электрического заряда, 
и 
– напряженности электрического и магнитного полей соответственно, 
– плотность тока, 
и 
– электрическая и магнитная индукции.Если представить напряженность электрического и магнитного поля
и при помощи преобразования Фурье [5]: 
, (2.4.2)то волновые уравнения примут вид:
, (2.4.3)где
- оператор Лапласа.Световод можно представить идеальным цилиндром с продольной осью z, оси х и у в поперечной (ху) плоскости образуют горизонтальную (xz) и вертикальную (xz) плоскости. В этой системе существуют 4 класса волн (Е и Н ортогональны):
поперечные Т: Ez = Нz = 0; Е = Еy; Н = Нx;
электрические Е: Еz = 0, Нz = 0; Е = (Еy , Еz) - распространяются в плоскости (yz); Н = Нx ;
магнитные Н: Нz = 0, Еz = 0; Н = (Нx , Нz) - распространяются в плоскости (xz), E = Ez;
смешанные ЕН или НЕ: Еz = 0, Нz = 0; Е = (Еy , Еz), Н = (Нx , Нz) - распространяются в плоскостях (xz) и (yz).
При решении системы уравнений Максвелла удобнее использовать цилиндрические координаты (z, r, φ), при этом решение ищется в виде волн с компонентами Ez , Нz вида:
, (2.4.4)где
и 
- нормирующие постоянные, 
- искомая функция, 
- продольный коэффициент распространения волны.Решения для
получаются в виде наборов из m (появляются целые индексы m) простых функций Бесселя 
для сердцевины и модифицированных функций Ханкеля 
для оболочки, где 
и 
- поперечные коэффициенты распространения в сердцевине и оболочке соответственно, 
- волновое число. Параметр определяется как решение характеристического уравнения, получаемого из граничных условий, требующих непрерывности тангенциальных составляющих компонент Ez и Нz электромагнитного поля на границе раздела сердцевины и оболочки. Характеристическое уравнение, в свою очередь, дает набор из n решений (появляются целые индексы n) для каждого целого m, т.е. имеем 
собственных значений, каждому из которых соответствует определенный тип волны, называемый модой. В результате формируется набор мод, перебор которых основан на использовании двойных индексов.