Расчет оптических и передаточных параметров оптического кабеля

8 Расчет оптических и передаточных параметров оптического кабеля

8.1 Расчет оптических параметров кабеля

Основным элементом оптического кабеля является волоконный световод – круглый стержень из оптически прозрачного диэлектрика. Оптические волноводы из-за малых размеров поперечного сечения обычно называют волоконными световодами или оптическими волокнами (ОВ).

Оптическое волокно состоит из сердцевины, по которой распространяются световые волны и оболочки. Сердцевина служит для передачи световых волн. Назначение оболочки – создание лучших условий отражения на границе «сердцевина-оболочка» и защита от излучения энергии в окружающее пространство. С целью повышения прочности и тем самым надежности волокна поверх оболочки накладывается первичное защитное упрочняющее покрытие.

Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух сред. Эффект полного внутреннего отражения реализуется в световодах при соблюдении условия:

, (5.1.1)

где - показатель преломления сердцевины оптического волокна,

- показателя преломления оболочки оптического волокна.

На рисунке 8.1 изображено распространение лучей в оптическом волокне.

Рисунок 8.1 – Распространение лучей в оптическом волокне.

Луч полностью отражается на границе «сердцевина-оболочка» и остаётся внутри сердцевины (луч 3), когда угол падения () меньше критического угла, который определяется соотношением [10]:

(5.1.2)

Величину называют апертурным углом.

Апертура - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, падающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения.

Наряду с понятием «угловая апертура» принято использовать понятие «числовая апертура» (Numerical Aperture).

Числовая апертура представляет собой синус максимального угла падения лучей на торец световода, при котором луч в световоде падает на границу «сердцевина-оболочка» под критическим углом

(5.1.3)

Числовая апертура равна:

Нормированная, или характеристическая, частота – один из важнейших обобщающих параметров, который связывает структурные параметры оптического волокна и длину световой волны, распространяемой в волокне. По значению нормированной частоты можно судить о режиме работы оптического волокна.

При  < 2,405 – режим работы оптического волокна – одномодовый.

При  > 2,405 – режим работы оптического волокна – многомодовый.

Нормированная частота определяется по формуле [10]:

, (5.1.4)

где а – радиус сердцевины волокна, м;

λ – рабочая длина волны, м;

NA – числовая апертура.

Нормированная частота равна:

 = 1,90

Из полученного результата 1,90 < 2,405 следует, что режим работы по оптическому волокну – одномодовый. Достоинством одномодовых систем является весьма широкий диапазон частот и большая пропускная способность.

Определим длину волны и частоту, для критического режима, когда поле выходит за пределы оптического волокна и энергия по световоду не распространяется.

Критическая длина волны определяется по формуле [10]:

, (5.1.5)

где d – диаметр сердцевины оптического волокна, м;

Р_nm – 2,405 значение корня функции Бесселя;

n₁ и n₂ – показатели преломления сердцевины и оболочки.

Критическая длина волны равна:

 = 0,83 мкм

Критическая частота определяется по формуле [10]:

, (5.1.6)

где P_nm – значение корня функции Бесселя;

с₀ – скорость света, м/с;

d – диаметр сердцевины, м;

n₁ и n₂ – показатели преломления сердцевины и оболочки.

Гц