Id-dawl huwa mewġ elettromanjetiku bi frekwenza estremament għolja, ufibra ottikainnifsu huwa waveguide dielettrika; għalhekk, it-teorija tal-propagazzjoni tad-dawl f'fibri ottiċi hija estremament kumplessa. Fehim komprensiv jeħtieġ għarfien tat-teorija tal-kamp elettromanjetiku, it-teorija tal-ottika tal-mewġ, u anke t-teorija tal-kamp kwantistika.
Biex jiffaċilita l-fehim, dan il-ktieb ta 'test jiddiskuti l--prinċipju ta' gwida ħafifa tal-fibri ottiċi mill-perspettiva tal-ottika ġeometrika, li hija aktar intuwittiva, viżwali, u aktar faċli biex tinftiehem. Barra minn hekk, għal fibri ottiċi multimode, peress li d-dimensjonijiet ġeometriċi tagħhom huma ħafna akbar mill-wavelength tad-dawl, il-mewġ tad-dawl jista 'jiġi ttrattat bħala raġġ wieħed, li huwa l-punt tat-tluq fundamentali għall-ottika ġeometrika.
Prinċipju ta' riflessjoni interna totali
"Meta d-dawl jippropaga f'medja uniformi, jivvjaġġa f'direzzjoni ta 'linja dritta, iżda meta jilħaq l-interface bejn żewġ midja differenti, iseħħu fenomeni ta' riflessjoni u rifrazzjoni. Ir-riflessjoni u r-rifrazzjoni tad-dawl huma murija fil-Figura 2-4.
Skont il-liġi tar-riflessjoni, l-angolu ta 'rifless huwa ugwali għall-angolu ta' inċidenza; skond il-liġi tar-rifrazzjoni, n₁sinθ₁=n₂sinθ₂. Fejn n₁ huwa l-indiċi refrattiv tal-qalba tal-fibra; n₂ huwa l-indiċi refrattiv tal-kisi.
Ovvjament, jekk n₁ > n₂, allura θ₂ > θ₁. Jekk il-proporzjon ta 'n₁ għal n₂ jiżdied sa ċertu punt, l-angolu ta' rifrazzjoni θ₂ Ikbar minn jew ugwali għal 90 grad , u d-dawl rifratt mhux se jibqa 'jidħol fil-kisi, iżda se jkun rifrattjat tul l-interface bejn il-qalba tal-fibra u l-kisi (meta θ₂=90 lura għall-grad ta' propagazzjoni (when core) jew lura fil-₸ , > 90 grad). Dan il-fenomenu jissejjaħ riflessjoni interna totali tad-dawl. Kif muri fil-Figura 2-5."
L-angolu ta 'inċidenza li jikkorrispondi għal angolu ta' rifrazzjoni θ₂=90 grad jissejjaħ l-angolu kritiku (θ₀), li jista 'jinkiseb faċilment.
Huwa faċli li tifhem li meta sseħħ riflessjoni interna totali f'fibra ottika, peress li kważi d-dawl kollu jinfirex fil-qalba tal-fibra, u l-ebda dawl ma joħroġ fil-kisi, l-attenwazzjoni tal-fibra titnaqqas ħafna. Il-fibri ottiċi ta' l-indiċi tal-pass bikri-kienu ddisinjati abbażi ta' dan il-kunċett.
Propagazzjoni tad-dawl f'fibra ottika ta' pass-indiċi
(1) Propagazzjoni ta 'Raġġi tad-Dawl f'Fibri Ottiċi Biex niffaċilitaw il-fehim, l-ewwel se nużaw it-teorija tal-metodu tar-raġġi biex nagħtu deskrizzjoni sempliċi tal-propagazzjoni tal-mewġ tad-dawl f'fibri ottiċi. Meta raġġ ta 'dawl jiġi akkoppjat fil-fibra ottika mill-wiċċ tat-tarf, jista' jkun hemm forom differenti ta 'raġġi tad-dawl fil-fibra: raġġi meridjani u raġġi oblikwi. Figura 2-6a turi raġġ li dejjem jippropaga fi pjan li fih l-assi ċentrali 00' tal-fibra ottika, u jaqsam l-assi ċentrali darbtejn f'ċiklu wieħed ta' propagazzjoni. Dan it-tip ta 'raġġ jissejjaħ raġġ meridional, u l-pjan li fih l-assi ċentrali tal-fibra ottika jissejjaħ il-pjan meridjan. Figura 2-6a turi pjan meridjan MN. Tip ieħor huwa fejn it-trajettorja tar-raġġ tad-dawl matul il-propagazzjoni ma tkunx fl-istess pjan u ma jaqsamx l-assi ċentrali tal-fibra ottika. Dan it-tip ta' raġġ jissejjaħ raġġ oblikwu, kif muri fil-Figura 2-6b. L-analiżi tar-raġġi oblikwu hija pjuttost ikkumplikata anke bl-użu tat-teorija tal-metodu tar-raġġi. Dan għaliex il-propagazzjoni tar-raġġi oblikwu mhijiex fi pjan bħal dak tar-raġġi meridjani, iżda pjuttost f'mudell spirali fi spazju tridimensjonali, kif muri fil-Figura 2-6b. L-analiżi teħtieġ l-użu ta 'koordinati tridimensjonali, li hija kemmxejn astratta, iżda l-prinċipju bażiku ta' gwida tad-dawl tiegħu huwa l-istess bħall-metodu tal-meridjan, għalhekk ma tiġix ipprovduta analiżi dettaljata.
(2) Propagazzjoni tal-meridjan f'fibra indiċi tal-pass-Il-propagazzjoni tal-meridjan f'fibra tal-indiċi tal-pass-hija murija fil-Figura 2-7. Fibra ta 'l-indiċi tal-pass tikkonsisti f'qalba b'indiċi refrattiv ta' n2u kisi b'indiċi refrattiv ta 'n1, fejn n1u n2huma kostanti, u n1> n2.
“Meta d-dawl O jidħol mill-arja (n₀= 1) fil-wiċċ tat-tarf tal-fibra ottika f'angolu φ₁, porzjon tad-dawl jidħol fil-fibra ottika. F'dan iż-żmien, skond il-liġi ta 'Snell n₀sinφ₁=n₁sinθ₁, u peress li l-indiċi refrattiv tal-qalba tal-fibra n₁> n₀(indiċi refrattiv ta 'l-arja), l-angolu ta' rifrazzjoni θ₁ < φ₁, u d-dawl ikompli jippropaga, inċident f'angolu θᵢ=90 grad - θ₁ għall-interface bejn il-qalba tal-fibra u l-kisi. Jekk θᵢ huwa iżgħar mill-angolu kritiku θc=arcsin(n₂/n₁) fil-qalba tal-fibra u l-interface tal-kisi, allura parti mid-dawl tiġi rifrattata fil-kisi u tintilef, filwaqt li parti oħra tirrifletti lura fil-qalba tal-fibra. B'dan il-mod, wara diversi riflessi u rifrazzjonijiet, dan ir-raġġ tad-dawl malajr jiġi attenwat. Jekk φ₁ tonqos għal φ₀ (bħal fir-raġġ tad-dawl ②), allura θᵢ jonqos ukoll, filwaqt li θᵢ=90 grad - θ₁ jiżdied. Jekk φ₁ tiżdied biex jaqbeż l-angolu kritiku θc, allura dan ir-raġġ tad-dawl jgħaddi minn riflessjoni interna totali fil-qalba tal-fibra u l-interface tal-kisi, bl-enerġija kollha riflessa lura fil-qalba tal-fibra. Meta tkompli tippropaga u tiltaqa 'ma' l-interface tal-qalba tal-fibra u l-kisi mill-ġdid, terġa 'sseħħ riflessjoni interna totali. Waqt li tirrepeti dan il-proċess, id-dawl jista 'jiġi trażmess minn tarf wieħed tul mogħdija taż-żigżag sa tarf l-ieħor.
Ejja nanalizzaw kemm għandu jkun żgħir φ₁ biex jittrasmetti d-dawl minn tarf wieħed tal-fibra ottika sa tarf l-ieħor.
Jekk wieħed jassumi φ₁=φ₀, allura θc=θc₀, θᵢ=θc, n₀=1, għandna: n₀sinφ₀=sin{φ₀=n₂ sin{φ₀=n₂=₀=grad - θc)=n₁cosθc
Għalhekk għandna: sinφ₀=n₁cosθc=n₁√(1 - sin²θc)=n₁√({1 - (n₂/n₁)²)=n₁√(1 - sin²θc)=n₁√(1 - (n₂/n₁)²)=n₁√(2}₁√(2}₁√(2}₁√(2}₁√(2}₁√) n₂²)
Fl-ekwazzjoni, Δ hija d-differenza relattiva tal-indiċi refrattiv tal-fibra ottika, Δ=(n₁² - n₂²)/(2n₁²) ≈ (n₁ - n₂)/n₁.
Minn dan jista 'jara li sakemm l-angolu inċidentali φ₁ Inqas minn jew ugwali għal φ₀ fil-wiċċ tat-tarf tal-fibra ottika, id-dawl jista' jiġi trażmess permezz ta 'riflessjoni interna totali fil-qalba tal-fibra. φ₀ jissejjaħ l-angolu inċidentali massimu tal-wiċċ tat-tarf tal-fibra ottika, u 2φ₀ huwa l-angolu massimu ta 'aċċettazzjoni tal-fibra ottika għad-dawl."
(Figura 2-7 Propagazzjoni meridjana f'fibra ottika ta' indiċi ta' pass)
"(3) Apertura numerika: Peress li d-differenza bejn n₁ u n₂ hija żgħira, is-sine tal-angolu inċidentali massimu fil-wiċċ tat-tarf tal-fibra ottika meta sseħħ riflessjoni interna totali fil-fibra ottika hija sinφ₀ ≈ φ₀, li tissejjaħ l-apertura numerika tal-fibra ottika, ġeneralment indikata bħala Aper NA (Numerika):
NA=sinφ₀=n₁√2Δ=√(n₁² - n₂²)
Din l-ekwazzjoni tesprimi l-{0}}abbiltà li tiġbor id-dawl tal-fibra ottika. Kwalunkwe raġġi tad-dawl inċidentali b'angolu inċidentali iżgħar minn φ₀ jistgħu jissodisfaw il-kundizzjoni ta 'riflessjoni interna totali u se jkunu ristretti fil-qalba tal-fibra biex jinfirxu tul id-direzzjoni axjali. Jista 'jidher li l-apertura numerika tal-fibra ottika hija direttament proporzjonali għall-għerq kwadru tad-differenza relattiva tal-indiċi refrattiv. Fi kliem ieħor, iktar ma tkun kbira d-differenza fl-indiċi ta’ rifrazzjoni bejn il-qalba tal-fibra u l-kisi, iktar tkun kbira l-apertura numerika tal-fibra ottika, u iktar tkun b’saħħitha l-kapaċità tal-ġbir tad-dawl-tagħha."
Propagazzjoni tad-dawl f'fibra ottika bil-kulur-gradat
L-indiċi refrattiv tal-qalba ta' fibra ta'-indiċi gradata mhix kostanti; jonqos gradwalment maż-żieda fir-raġġ tal-fibra sakemm tkun ugwali għall-indiċi rifrattiv tal-kisi, kif muri fil-Figura 2-8. Biex tanalizza l-propagazzjoni tad-dawl f'fibra graded-indiċi, jista 'jintuża metodu simili għad-"definizzjoni integrali" fil-matematika. L-ewwel, il-qalba tal-fibra hija maqsuma f'ħafna saffi ċilindriċi rqaq konċentriċi. Kull saff huwa rqiq ħafna, u l-indiċi refrattiv tiegħu huwa bejn wieħed u ieħor kostanti f'kull saff. Hemm differenza ta 'pass żgħir fl-indiċi refrattiv bejn is-saffi li jmissu magħhom.
Il-pjan meridjan u s-saffi tal-fibra ottika tal-indiċi gradat-huma murija fil-Figura 2-8. L-indiċi ta' rifrazzjoni ta' kull saff jissodisfaw ir-relazzjoni li ġejja: n(rO) > n(r1)>n(r2)>n(r4)>…>n(r), Meta raġġ ta 'dawl ikun inċident mill-wiċċ tat-tarf ta' fibra ottika f'angolu medjan, il-propagazzjoni tagħha f'fibra ottika b'ħafna saffi b'indiċi ta 'rifrazzjoni li jvarjaw tidher fil-Figura 2-8. Meta r-raġġ jolqot l-interface bejn is-saffi 1 u 2 f'angolu inċidentali ta 'θ, peress li r-raġġ qed jivvjaġġa minn mezz aktar dens għal medju inqas dens, l-angolu ta' rifrazzjoni θ tiegħu jkun akbar minn θ. Kif muri fil-figura, dan ir-raġġ imbagħad jirrifratta fl-interface bejn is-saffi 2 u 3 b'angolu inċidentali ġdid ta 'θ, eċċ. Peress li d-dawl dejjem jippropaga minn mezz aktar dens għal medju inqas dens, l-angolu ta’ inċidenza tiegħu jiżdied gradwalment, jiġifieri, 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="">
(Figura 2-8 Pjan Meridjan u saffi ta' fibra ottika b'proporzjon gradat)
