Оптическое волокно представляет собой диэлектрический световод, обычно выполненный в виде цилиндрической нити из стекла или пластика, предназначенный для передачи света с минимальными потерями на большие расстояния. Принцип действия основан на явлении полного внутреннего отражения, благодаря которому свет удерживается внутри сердцевины волокна.
Оптическое волокно состоит из двух основных слоев:
Толщина сердцевины может составлять от нескольких микрометров (в одномодовом волокне) до десятков микрометров (в многомодовом). Оболочка обычно стандартизирована и имеет диаметр 125 мкм.
Для того чтобы свет оставался в пределах сердцевины и не выходил наружу, должен выполняться закон полного внутреннего отражения. Пусть:
Критический угол θc определяется по формуле:
$$ \theta_c = \arcsin\left(\frac{n_2}{n_1}\right) $$
Полное внутреннее отражение происходит, если θ > θc. В этом случае луч света многократно отражается внутри сердцевины и распространяется вдоль волокна.
Числовая апертура (NA) определяет угловой диапазон, в котором внешний свет может быть эффективно введён в волокно:
$$ \text{NA} = \sqrt{n_1^2 - n_2^2} $$
Соответственно, максимальный угол ввода θ0, при котором свет войдёт в волокно и будет распространяться вдоль него, равен:
θ0 = arcsin (NA)
Чем выше NA, тем большее количество мод может распространяться в волокне.
В зависимости от диаметра сердцевины и длины волны излучения различают:
Число мод в волокне определяется нормализованным параметром V:
$$ V = \frac{2\pi a}{\lambda} \cdot \text{NA} $$
где a — радиус сердцевины, λ — длина волны. Волокно будет одномодовым, если V < 2, 405.
Распространение мод в волокне описывается уравнением Гельмгольца. Поле моды E(r, ϕ, z) записывается как:
E(r, ϕ, z) = ψ(r, ϕ) ⋅ ei(βz − ωt)
где:
Форма мод зависит от граничных условий и распределения показателя преломления.
Дисперсия — ключевое явление, влияющее на форму передаваемого сигнала:
Совокупное влияние этих механизмов определяет временное расширение импульса Δt, что критично при передаче цифровой информации.
Свет в оптическом волокне теряет энергию по следующим основным причинам:
Общая затухаемость выражается в децибелах на километр:
$$ \alpha = 10 \cdot \log_{10}\left( \frac{P_{\text{вход}}}{P_{\text{выход}}} \right) $$
Волокна классифицируются по профилю распределения n(r):
$$ n(r) = n_1 \left( 1 - 2\Delta \left( \frac{r}{a} \right)^g \right)^{1/2} $$
где g — параметр профиля, Δ = (n12 − n22)/(2n12).
Градиентные волокна эффективнее уменьшают межмодовую дисперсию.
Свет, распространяющийся в волокне, может сохранять или изменять состояние поляризации. Факторы, влияющие на поляризацию:
Существуют специальные поляризационно-сохраняющие волокна, в которых благодаря введению анизотропных структур (например, “пандусных” каналов) подавляется перекрёстное возбуждение ортогональных мод.
При высокой плотности мощности в волокне могут проявляться нелинейные эффекты:
Энергия сигнала уменьшается экспоненциально с расстоянием:
P(z) = P0e−αz
Эффективная длина взаимодействия при наличии нелинейностей определяется как:
$$ L_{\text{eff}} = \frac{1 - e^{-\alpha L}}{\alpha} $$
где L — длина волокна, α — коэффициент затухания. Чем меньше потери, тем больше область, в которой нелинейные эффекты могут проявиться.
Оптические волокна применяются в телекоммуникациях, медицинской диагностике, лазерной технике, сенсорике и квантовой оптике. Их высокая пропускная способность, устойчивость к электромагнитным помехам и гибкость конструкции делают их незаменимыми в современных информационных технологиях.