Полное внутреннее отражение

Создана 29.04.2022
Отредактирована 29.04.2022

Передача данных по оптоволоконным каналом происходит путем преобразования единиц и нулей двоичного сигнала в наличие или отсутствие светового потока (сигнала). Такой световой поток должен оставаться внутри оптического волокна, пока не достигнет его второго конца, и не должен проникать в оболочку оптического волокна. Проникновение света в оболочку будет вызывать потерю мощности, а значит, и затухание сигнала. При изготовлении оптических волокон внешнюю поверхность делают близкой по характеристикам к зеркалу, чтобы распространяющиеся в нем световые лучи отражались. Если любой луч, который падает на границу оптического волокна, полностью отражается по направлению к другому концу волокна, то волокно будет хорошим "проводником" или, как обычно говорят, волноводом для передачи световых волн рисунок 1.

Рис. 1. Полное внутреннее отражение

Законы отражения и преломления позволяют изготавливать оптическое волокно для передачи световых лучей с минимальными потерями энергии. Необходимо придерживаться двух требований для полного отражения лучей в оптическом волокне без потерь из-за преломления и выхода сигнала в оболочку:

• сердцевина оптического волокна должна иметь больший коэффициент преломления, чем материал, который окружает ее. Окружающий сердцевину материал называют оболочкой;
• угол падения световых лучей на границу между сердцевиной и оболочкой должен быть больше критического угла.

Если оба требования соблюдены, все падающие лучи света будут отражены внутрь оптического волокна. Этот эффект называется полным внутренним отражением и является основой, на которой базируется производства оптических волокон. Эффект полного внутреннего отражения вынуждает световые лучи в оптических волокнах отражаться от границы с сердцевиной и продолжат свой путь ко второму концу волокна. Таким образом, световые лучи, проходя "зигзагообразный" путь в сердцевине волокна, достигает его конца.

Оптические волокна, отвечающие первому условию (коэффициент преломления оболочки меньше, чем у сердцевины), очень просты в изготовлении. Можно контролировать угол падения световых лучей, вводимых в сердцевину. Угол падения ограничен двумя факторами:

• числовой апертурой волокна - набором углов падающих световых лучей, при которых будет наблюдаться эффект полного внутреннего отражения, как показано на рисунке 2;
• максимальным количеством путей (называемых модами), по которым световые лучи могут распространяться в оптических волокнах.

Рис. 2. Числовая апертура

Учитывая и контролируя оба указанных фактора, производители выпускают оптические волокна с полным внутренним отражением, которые могут быть использованы для передачи данных на большие расстояния (рисунок 3).

Рис. 3. Распространение световых лучей