Lys er en elektromagnetisk bølge med ekstrem høj frekvens, ogoptisk fiberi sig selv er en dielektrisk bølgeleder; derfor er teorien om lysudbredelse i optiske fibre ekstremt kompleks. En omfattende forståelse kræver viden om elektromagnetisk feltteori, bølgeoptikteori og endda kvantefeltteori.
For at lette forståelsen diskuterer denne lærebog lysets-ledende princip for optiske fibre fra perspektivet af geometrisk optik, som er mere intuitivt, visuelt og lettere at forstå. For multimode optiske fibre, da deres geometriske dimensioner er meget større end lysets bølgelængde, kan lysbølgen desuden behandles som en enkelt stråle, hvilket er det grundlæggende udgangspunkt for geometrisk optik.
Total intern refleksionsprincip
"Når lys forplanter sig i et ensartet medium, bevæger det sig i en lige linjeretning, men når det når grænsefladen mellem to forskellige medier, opstår der reflektions- og refraktionsfænomener. Refleksionen og brydningen af lys er vist i figur 2-4.
Ifølge loven om refleksion er reflektionsvinklen lig med indfaldsvinklen; ifølge brydningsloven, n₁sinθ₁=n₂sinθ₂. hvor n1 er brydningsindekset for fiberkernen; n2 er beklædningens brydningsindeks.
Det er klart, at hvis n₁ > n₂, så er θ₂ > θ₁. Hvis forholdet mellem n₁ og n₂ øges til en vis grad, er brydningsvinklen θ₂ Større end eller lig med 90 grader, og det brudte lys vil ikke længere trænge ind i beklædningen, men brydes langs grænsefladen mellem fiberkernen og beklædningen (når θ₂=90 grad θ₂=90 vende tilbage til fiberen, eller ₸ vender tilbage til fiberen). 90 grader). Dette fænomen kaldes total intern refleksion af lys. Som vist i figur 2-5."
Indfaldsvinklen svarende til en brydningsvinkel θ₂=90 grad kaldes den kritiske vinkel (θ₀), som let kan opnås.
Det er let at forstå, at når der sker total intern refleksion i en optisk fiber, da næsten alt lys forplanter sig inden i fiberkernen, og intet lys slipper ud i beklædningen, reduceres fiberens dæmpning kraftigt. Tidlige trin-indeksoptiske fibre blev designet baseret på dette koncept.
Udbredelse af lys i trin-indeks optisk fiber
(1) Udbredelse af lysstråler i optiske fibre For at lette forståelsen vil vi først bruge strålemetodeteorien til at give en simpel beskrivelse af udbredelsen af lysbølger i optiske fibre. Når en lysstråle kobles ind i den optiske fiber fra endefladen, kan der være forskellige former for lysstråler i fiberen: meridionale stråler og skrå stråler. Figur 2-6a viser en stråle, der altid udbreder sig i et plan, der indeholder den optiske fibers centrale akse 00' og skærer den centrale akse to gange i én udbredelsescyklus. Denne type stråle kaldes en meridional stråle, og planet, der indeholder den optiske fibers centrale akse, kaldes meridionalplanet. Figur 2-6a viser et meridionalplan MN. En anden type er, hvor lysstrålens bane under udbredelsen ikke er i samme plan og ikke skærer den optiske fibers centrale akse. Denne type stråle kaldes en skrå stråle, som vist i figur 2-6b. Analysen af skrå stråler er ret kompliceret selv ved brug af strålemetodeteorien. Dette skyldes, at udbredelsen af skrå stråler ikke er i et plan som det for meridionale stråler, men snarere i et spiralmønster i et tredimensionelt rum, som vist i figur 2-6b. Analyse kræver brug af tredimensionelle koordinater, hvilket er noget abstrakt, men dets grundlæggende lysledende princip er det samme som meridianmetoden, så der gives ikke en detaljeret analyse.
(2) Meridianudbredelse i trin-indeksfiber Udbredelsen af meridianen i en trin-indeksfiber er vist i figur 2-7. En trinindeksfiber består af en kerne med et brydningsindeks på n2og en beklædning med et brydningsindeks på n1, hvor n1og n2er konstanter, og n1> n2.
"Når lys O kommer ind fra luften (n₀= 1) ind i den optiske fibers endeflade i vinkel φ₁, vil en del af lyset trænge ind i den optiske fiber. På dette tidspunkt, ifølge Snells lov n₀sinφ₁=n₁sinθ₁, og da fiberkernens brydningsindeks n₁> n₀(luftbrydningsindeks), brydningsvinklen θ₁ < φ₁, og lyset fortsætter med at forplante sig og falder ind under vinkel θᵢ=90 grad - θ₁ til grænsefladen mellem fiberkernen og beklædningen. Hvis θᵢ er mindre end den kritiske vinkel θc=arcsin(n₂/n₁) ved fiberkernen og beklædningsgrænsefladen, så vil en del af lyset brydes ind i beklædningen og gå tabt, mens en anden del reflekteres tilbage i fiberkernen. På denne måde vil denne lysstråle efter flere refleksioner og brydninger hurtigt blive dæmpet. Hvis φ₁ falder til φ₀ (som i lysstrålen ②), så falder θᵢ også, mens θᵢ=90 grad - θ₁ stiger. Hvis φ₁ stiger til at overskride den kritiske vinkel θc, vil denne lysstråle gennemgå total intern refleksion ved fiberkernen og beklædningsgrænsefladen, med al energi reflekteret tilbage i fiberkernen. Når den fortsætter med at udbrede sig og støder på fiberkernen og beklædningsgrænsefladen igen, opstår total intern refleksion igen. Ved at gentage denne proces kan lyset transmitteres fra den ene ende langs en zigzag-sti til den anden ende.
Lad os analysere, hvor lille φ₁ skal være for at transmittere lys fra den ene ende af den optiske fiber til den anden ende.
Hvis vi antager φ₁=φ₀, så θc=θc₀, θᵢ=θc, n₀=1, har vi: n₀sinφ₀=sinφ₀=n₁sin(90 grader - θc)=n₁cosθc
Vi har således: sinφ₀=n₁cosθc=n₁√(1 - sin²θc)=n₁√(1 - (n₂/n₁)²)=n₁}⚁₁) ₁₈)(7) - n₂²)
I ligningen er Δ den relative brydningsindeksforskel for den optiske fiber, Δ=(n₁² - n₂²)/(2n₁²) ≈ (n₁ - n₂)/n₁.
Heraf kan det ses, at så længe indfaldsvinklen φ₁ er mindre end eller lig med φ₀ ved den optiske fiberendeflade, kan lys transmitteres gennem total intern refleksion i fiberkernen. φ₀ kaldes den maksimale indfaldsvinkel for den optiske fibers endeflade, og 2φ₀ er den maksimale acceptvinkel for den optiske fiber for lys."
(Figur 2-7 Meridianudbredelse i en optisk fiber med trinindeks)
"(3) Numerisk blænde: Da forskellen mellem n₁ og n₂ er lille, er sinus for den maksimale indfaldsvinkel ved den optiske fibers endeoverflade, når total intern refleksion forekommer i den optiske fiber, sinφ₀ ≈ φ₀, hvilket kaldes den numeriske apertur af den optiske fiber, generelt betegnet NA, iumerisk: NA
NA=sinφ₀=n₁√2Δ=√(n₁² - n₂²)
Denne ligning udtrykker den optiske fibers -opsamlingsevne. Enhver indfaldende lysstråle med en indfaldsvinkel, der er mindre end φ₀, kan tilfredsstille den totale interne reflektionstilstand og vil blive begrænset inde i fiberkernen for at udbrede sig langs den aksiale retning. Det kan ses, at den numeriske apertur af den optiske fiber er direkte proportional med kvadratroden af den relative brydningsindeksforskel. Med andre ord, jo større brydningsindeksforskellen mellem fiberkernen og beklædningen er, jo større er den numeriske åbning af den optiske fiber, og jo stærkere er dens lysopsamlingsevne."
Udbredelse af lys i graderet-optisk farvefiber
Brydningsindekset for kernen af en graderet-indeksfiber er ikke konstant; den aftager gradvist med stigende fiberradius, indtil den svarer til beklædningens brydningsindeks, som vist i figur 2-8. For at analysere udbredelsen af lys i en fiber med graderet indeks kan der anvendes en metode svarende til "integraldefinitionen" i matematik. Først er fiberkernen opdelt i talrige koncentriske tynde cylindriske lag. Hvert lag er meget tyndt, og dets brydningsindeks er omtrent konstant i hvert lag. Der er en lille trinforskel i brydningsindeks mellem tilstødende lag.
Meridionalplanet og lagdelingen af optisk fiber med graderet-indeks er vist i figur 2-8. Brydningsindekserne for hvert lag opfylder følgende forhold: n(rO) > n(r1)>n(r2)>n(r4)>…>n(r),Når en lysstråle indfalder fra endefladen af en optisk fiber i en medianvinkel, er dens udbredelse i en flerlags optisk fiber med varierende brydningsindeks vist i figur 2-8. Når strålen rammer grænsefladen mellem lag 1 og 2 ved en indfaldsvinkel på θ, da strålen bevæger sig fra et tættere medium til et mindre tæt medium, vil dens brydningsvinkel θ være større end θ. Som vist på figuren vil denne stråle så bryde ved grænsefladen mellem lag 2 og 3 med en ny indfaldsvinkel på θ, og så videre. Da lys altid forplanter sig fra et tættere medium til et mindre tæt medium, øges dets indfaldsvinkel gradvist, dvs. θ<><><><θ5", until="" at="" a="" certain="" interface="" (interface="" u="" in="" the="" diagram),="" the="" angle="" of="" incidence="" exceeds="" the="" critical="" angle,="" at="" which="" point="" total="" internal="" reflection="" occurs.="" afterward,="" the="" light="" travels="" along="" a="" perfectly="" symmetrical="" trajectory,="" layer="" by="" layer,="" from="" less="" dense="" to="" denser,="" towards="" the="" central="" axis.="" at="" this="" point,="" the="" angle="" of="" incidence="" decreases="" as="" the="" light="" propagates="" towards="" the="" center="" due="" to="" the="" increasing="" refractive="" index="" of="" each="" layer,="" and="" the="" light="" crosses="" the="" central="" axis.="" since="" the="" refractive="" index="" distribution="" below="" the="" central="" axis="" is="" exactly="" the="" same="" as="" above,="" after="" passing="" the="" central="" axis,="" the="" light="" is="" essentially="" propagating="" from="" a="" denser="" medium="" to="" a="" less="" dense="" medium="" again,="" and="" its="" angle="" of="" incidence="" gradually="" increases,="" subsequently="" undergoing="" total="" internal="" reflection="" and="" returning="" to="" the="" central="" axis.="" then,="" it="" again="" enters="" the="" interface="" of="" layers="" 1="" and="" 2="" at="" an="" angle="" θ,="" and="" the="" cycle="" repeats.="" in="" this="" way,="" light="" can="" be="" transmitted="" from="" one="" end="" to="" the="">
(Figur 2-8 Meridianplan og lagdeling af optisk fiber med graderet forhold)
