Оптоволокно. Основы теории

Предисловие от измерителя

Когда заходит речь о теории передачи сигнала по оптоволокну вспоминается забавный случай, познакомивший меня с этой довольно сложной для полного понимания теорией.

Произошло это примерно в 2000 году на курсах повышения квалификации при высшем колледже связи в городе Минске. В то время оптоволокно для просторов СНГ ещё было новейшей технологией, и даже областные центры оптоволокном связаны не были.

На то время курсы по оптоволокну были двухнедельными. Первая неделя посвящалась теории, вторая непосредственно сварке.

На теоретическую часть прислали доцента какой-то кафедры какого-то университета. Доцент оказался седовласым подтянутым дедушкой, видимо привыкший "вливать" студентам теоретический материал неограниченной сложности. Свою лекцию он начал с рисунка:

И двухэтажной формулы вида:

Далее на доске рисунок усложнился, а формула стала четырёхэтажной.

Теперь полезно вспомнить о людях, которым это всё предназначалось. На подобные курсы, как правило, посылали кабельщиков, монтажников или в лучшем случае электромехаников, девяносто процентов которых были приезжими и относились к случившейся командировке как к возможности выпить водочки подальше от глаз жён и начальства. Конечно, до выпивки между или на лекциях дело не доходило (почти), но похмелье думать очень мешало.

Дедушка-доцент оглянулся на аудиторию, что-то его в лицах "студентов" смутило и четырёхэтажную формулу он быстренько стёр. Далее всё объяснение шло по рисункам.

По-своему, замечу, что вся эта "теория" с синусами и косинусами для дальнейшей работы, как на монтаже оптоволоконного кабеля, так и при измерениях оптоволокна не понадобилась. При сварке оптических волокон важнее недрожащие и прямые руки, а при измерениях такие данные как коэффициент преломления и рабочее окно прозрачности берутся из паспортов барабанов или трассы. Вся теория по оптоволокну скорее для общего развития или для тех, кто его изготавливает, то есть не для России и СНГ.

Основы теории

Официально и более подробно теория передачи по оптоволокну раскрыта на страницах книг
• Волоконная оптика. Теория и практика:
• Теория волоконно-оптической передачи. Фундаментальные принципы действия. Отражение, преломление и дифракция • Показатель преломления • Закон Снелла. Внутреннее отражение. Внешнее отражение • Строение оптического волокна. Отражение Френеля
• Справочник по тестированию оптоволокна:
• Оптическая связь. Принципы передачи • Типы оптоволокна. Многомодовое волокно • Условия ввода и распределение света

Принцип передачи светового сигнала по оптоволокну основан на явлении полного внутреннего отражения при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотую. Угол преломления в этом случае больший по сравнению с углом падения α

При увеличении угла падения световых лучей от источника S на поверхность раздела двух сред МN наступит такой момент, когда преломленный луч пойдет вдоль границы раздела двух сред, то есть β = 90°.

Говоря проще и без синусов, лучи проходящие в оптоволокне полностью отражаются от поверхности светопроводящего слоя. Для наглядности ещё одна картинка.

Здесь лучи 1 и 2 выходят из световода так как направлены под большими углами к поверхности. Лучи 3, 4, 5 из цилиндра выйдут только в его торце, так как будут бесконечно отражаться от стенок световода. Но это ещё не оптоволокно.

У простого стеклянного прутка или даже нити есть поверхность, которая будет чего-либо касаться. В местах касания, например, с жидкостью, лучи будут выходить из световода, сигнал теряться. Чтобы избежать этого оптоволокно делается двух или многослойным, то есть содержит светопроводящую сердцевину и прозрачную, но с меньшим показателем преломления оболочку. Полное отражение происходит на границе слоёв прозрачной нити.