Lys er en elektromagnetisk bølge med ekstremt høy frekvens, ogoptisk fiberi seg selv er en dielektrisk bølgeleder; derfor er teorien om lysutbredelse i optiske fibre ekstremt kompleks. En omfattende forståelse krever kunnskap om elektromagnetisk feltteori, bølgeoptikkteori og til og med kvantefeltteori.
For å lette forståelsen diskuterer denne læreboken lysets-ledende prinsipp for optiske fibre fra perspektivet til geometrisk optikk, som er mer intuitivt, visuelt og lettere å forstå. Dessuten, for multimodus optiske fibre, siden deres geometriske dimensjoner er mye større enn bølgelengden til lys, kan lysbølgen behandles som en enkeltstråle, som er det grunnleggende utgangspunktet for geometrisk optikk.
Total intern refleksjonsprinsipp
"Når lys forplanter seg i et ensartet medium, beveger det seg i en rett linjeretning, men når det når grensesnittet mellom to forskjellige medier oppstår refleksjons- og refraksjonsfenomener. Refleksjon og brytning av lys er vist i figur 2-4.
I henhold til refleksjonsloven er refleksjonsvinkelen lik innfallsvinkelen; i henhold til brytningsloven, n₁sinθ₁=n₂sinθ₂. Hvor n1 er brytningsindeksen til fiberkjernen; n2 er brytningsindeksen til kledningen.
Åpenbart, hvis n₁ > n₂, så θ₂ > θ₁. Hvis forholdet mellom n₁ og n₂ øker til en viss grad, vil brytningsvinkelen θ₂ Større enn eller lik 90 grader, og det brutte lyset vil ikke lenger trenge inn i kledningen, men brytes langs grensesnittet mellom fiberkjernen og kledningen (når θ₂=90 grad θ₂=90 går tilbake til fiberen, eller ₸ går tilbake til fiberen). 90 grader). Dette fenomenet kalles total intern refleksjon av lys. Som vist i figur 2-5."
Innfallsvinkelen som tilsvarer en brytningsvinkel θ₂=90 grad kalles den kritiske vinkelen (θ₀), som enkelt kan oppnås.
Det er lett å forstå at når total intern refleksjon oppstår i en optisk fiber, siden nesten alt lyset forplanter seg i fiberkjernen, og ikke noe lys slipper inn i kledningen, reduseres fiberens dempning betraktelig. Tidlig trinn-indeksoptiske fibre ble designet basert på dette konseptet.
Forplantning av lys i trinn-indeks optisk fiber
(1) Forplantning av lysstråler i optiske fibre For å lette forståelsen vil vi først bruke strålemetodeteorien for å gi en enkel beskrivelse av forplantningen av lysbølger i optiske fibre. Når en lysstråle kobles inn i den optiske fiberen fra endeflaten, kan det være forskjellige former for lysstråler i fiberen: meridionale stråler og skrå stråler. Figur 2-6a viser en stråle som alltid forplanter seg i et plan som inneholder den sentrale aksen 00' til den optiske fiberen, og skjærer den sentrale aksen to ganger i én forplantningssyklus. Denne typen stråle kalles en meridional stråle, og planet som inneholder den optiske fiberens sentrale akse kalles meridionalplanet. Figur 2-6a viser et meridionalplan MN. En annen type er hvor banen til lysstrålen under forplantningen ikke er i samme plan og ikke skjærer den optiske fiberens sentrale akse. Denne typen stråle kalles en skråstråle, som vist i figur 2-6b. Analysen av skrå stråler er ganske komplisert selv ved bruk av strålemetodeteorien. Dette er fordi forplantningen av skrå stråler ikke er i et plan som for meridionale stråler, men snarere i et spiralmønster innenfor et tredimensjonalt rom, som vist i figur 2-6b. Analyse krever bruk av tredimensjonale koordinater, som er noe abstrakt, men dets grunnleggende lysledende prinsipp er det samme som meridianmetoden, så en detaljert analyse er ikke gitt.
(2) Meridianutbredelse i trinn-indeksfiber Utbredelsen av meridianen i en trinn-indeksfiber er vist i figur 2-7. En trinnindeksfiber består av en kjerne med en brytningsindeks på n2og en kledning med en brytningsindeks på n1, hvor n1og n2er konstanter, og n1> n2.
"Når lys O kommer inn fra luft (n₀= 1) inn i den optiske fiberens endeoverflate i vinkel φ₁, vil en del av lyset gå inn i den optiske fiberen. På dette tidspunktet, i henhold til Snells lov n₀sinφ₁=n₁sinθ₁, og siden fiberkjernens brytningsindeks n₁> n₀(luftbrytningsindeks), brytningsvinkelen θ₁ < φ₁, og lyset fortsetter å forplante seg, innfallende i vinkel θᵢ=90 grad - θ₁ til grensesnittet mellom fiberkjernen og kledningen. Hvis θᵢ er mindre enn den kritiske vinkelen θc=arcsin(n₂/n₁) ved fiberkjernen og kledningsgrensesnittet, vil en del av lyset brytes inn i kledningen og gå tapt, mens en annen del reflekteres tilbake inn i fiberkjernen. På denne måten, etter flere refleksjoner og brytninger, vil denne lysstrålen raskt bli dempet. Hvis φ₁ avtar til φ₀ (som i lysstråle ②), så synker θᵢ også, mens θᵢ=90 grad - θ₁ øker. Hvis φ₁ øker til å overskride den kritiske vinkelen θc, vil denne lysstrålen gjennomgå total intern refleksjon ved fiberkjernen og kledningsgrensesnittet, med all energi reflektert tilbake inn i fiberkjernen. Når den fortsetter å forplante seg og møter fiberkjernen og kledningsgrensesnittet igjen, oppstår total intern refleksjon igjen. Ved å gjenta denne prosessen, kan lyset overføres fra den ene enden langs en sikksakkbane til den andre enden.
La oss analysere hvor liten φ₁ må være for å overføre lys fra den ene enden av den optiske fiberen til den andre enden.
Forutsatt φ₁=φ₀, så θc=θc₀, θᵢ=θc, n₀=1, har vi: n₀sinφ₀=sinφ₀=n₁sin(90 grader - θc)=n₁cosθc
Dermed har vi: sinφ₀=n₁cosθc=n₁√(1 - sin²θc)=n₁√(1 - (n₂/n₁)²)=n₁₈(7}₁₈)(7) - n₂²)
I ligningen er Δ den relative brytningsindeksforskjellen til den optiske fiberen, Δ=(n₁² - n₂²)/(2n₁²) ≈ (n₁ - n₂)/n₁.
Fra dette kan man se at så lenge innfallsvinkelen φ₁ Mindre enn eller lik φ₀ ved den optiske fiberens endeoverflate, kan lys overføres gjennom total intern refleksjon i fiberkjernen. φ₀ kalles den maksimale innfallsvinkelen til den optiske fiberens endeoverflate, og 2φ₀ er den maksimale akseptvinkelen til den optiske fiberen for lys."
(Figur 2-7 Meridianutbredelse i en optisk fiber med trinnindeks)
"(3) Numerisk blenderåpning: Siden forskjellen mellom n₁ og n₂ er liten, er sinusen til den maksimale innfallsvinkelen ved den optiske fiberens endeoverflate når total intern refleksjon oppstår i den optiske fiberen sinφ₀ ≈ φ₀, som kalles den numeriske blenderåpningen til den optiske fiberen, generelt betegnet som NA, iumerisk
NA=sinφ₀=n₁√2Δ=√(n₁² - n₂²)
Denne ligningen uttrykker den optiske fiberens evne til å samle lys{{0}. Eventuelle innfallende lysstråler med en innfallsvinkel som er mindre enn φ₀ kan tilfredsstille den totale indre refleksjonstilstanden og vil være begrenset innenfor fiberkjernen for å forplante seg langs den aksiale retningen. Det kan sees at den numeriske aperturen til den optiske fiberen er direkte proporsjonal med kvadratroten av den relative brytningsindeksforskjellen. Med andre ord, jo større brytningsindeksforskjellen mellom fiberkjernen og kledningen er, desto større er den numeriske åpningen til den optiske fiberen, og jo sterkere er dens-lyssamlende evne."
Forplantning av lys i gradert-optisk fargefiber
Brytningsindeksen til kjernen til en gradert-indeksfiber er ikke konstant; den avtar gradvis med økende fiberradius til den er lik brytningsindeksen til kledningen, som vist i figur 2-8. For å analysere forplantningen av lys i en fiber med gradert indeks, kan en metode som ligner på "integraldefinisjonen" i matematikk brukes. Først er fiberkjernen delt inn i mange konsentriske tynne sylindriske lag. Hvert lag er veldig tynt, og brytningsindeksen er omtrent konstant innenfor hvert lag. Det er en liten trinnforskjell i brytningsindeks mellom tilstøtende lag.
Meridionalplanet og lagdelingen til gradert-indeksoptisk fiber er vist i figur 2-8. Brytningsindeksene til hvert lag tilfredsstiller følgende forhold: n(rO) > n(r1)>n(r2)>n(r4)>…>n(r),Når en lysstråle faller inn fra endeflaten til en optisk fiber i en medianvinkel, vises dens forplantning i en flerlags optisk fiber med varierende brytningsindekser i figur 2-8. Når strålen treffer grensesnittet mellom lag 1 og 2 med en innfallsvinkel på θ, siden strålen beveger seg fra et tettere medium til et mindre tett medium, vil dens brytningsvinkel θ være større enn θ. Som vist på figuren vil denne strålen da brytes ved grensesnittet mellom lag 2 og 3 med en ny innfallsvinkel på θ, og så videre. Siden lys alltid forplanter seg fra et tettere medium til et mindre tett medium, øker dets innfallsvinkel gradvis, 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 av optisk fiber med gradert forhold)
