Как изменить количество стеклянных слоев, чтобы контролировать распространение света?
В оптоволоконной оптике точный контроль траектории и формы распределения распространения световых волн внутри сердцевины достигается путем изменения количества структурных слоев стекла из диоксида кремния и количества легирующих добавок диоксида кремния в каждом слое (т. е. контроля показателя преломления n в различных областях). Этот процесс проектирования называется проектированием профиля показателя преломления оптического волокна (Refractive Index Profile Design).
Основными физическими механизмами распространения света внутри стекла являются полное внутреннее отражение (Total Internal Reflection, TIR) и ограничение волноводных мод. Увеличивая или изменяя количество слоев стекла и распределение показателей преломления, можно контролировать поведение распространения света (laquo;траекторию светаraquo;) в следующих аспектах:
1. Двухслойная стеклянная структура (однооболочечная структура): базовое направление света
- Структурные компоненты: центральная сердцевина (High-Index Core, показатель преломления n_1) + внешняя оболочка (Low-Index Cladding, показатель преломления n_2), причем n_1 > n_2.
- Контроль распространения света:
Когда свет в сердцевине падает на границу раздела сердцевины и оболочки под углом, превышающим критический угол \theta_c, свет не может проникнуть сквозь оболочку, а распространяется внутри сердцевины вперед в виде «зигзагообразной» (ломаной) линии посредством полного внутреннего отражения. Это базовый принцип распространения стандартных одномодовых и ступенчатых многомодовых оптических волокон.
2. Градиентная многослойная структура (Graded-Index): изгиб траектории света для устранения временных задержек
- Структурные компоненты: сердцевина состоит из нескольких слоев стекла из диоксида кремния с различной концентрацией легирующих добавок (например, диоксида германия \text{GeO}_2), так что показатель преломления непрерывно уменьшается от центральной оси кнаружи по параболической форме.
- Контроль распространения света:
Свет распространяется не с резким полным отражением, а путем непрерывного преломления, следуя синусоидальной волнообразной траектории.- Свет, распространяющийся прямо вдоль оси, проходит более короткое физическое расстояние, но центральный показатель преломления высок, а скорость света низка;
- Свет, изгибающийся по синусоиде, отклоняющийся от оси, проходит более длинное физическое расстояние, но крайний показатель преломления низок, а скорость света высока.
С помощью такой микрорегулировки многослойного показателя преломления свет, входящий под разными углами, может достичь конечной точки почти одновременно, что значительно уменьшает межмодовую дисперсию (Intermodal Dispersion).
3. Трехслойная и многослойная оболочечная структура (оболочка с пониженным показателем преломления / структура с канавкой): ограничение утечки световой энергии и устойчивость к изгибам
- Структурные компоненты: между сердцевиной и внешней оболочкой добавляется дополнительный слой стекла с низким показателем преломления, легированный фтором (\text{F}) и другими элементами, образуя оболочку с пониженным показателем преломления (Depressed Cladding / Trench-Assisted Structure). Распределение показателя преломления удовлетворяет условию: сердцевина n_1 > внешняя оболочка n_2 > оболочка с пониженным показателем преломления n_3.
- Контроль распространения света:
При сильном изгибе оптического волокна часть высокопорядковых мод или электромагнитное поле на границе может легко просочиться в оболочку, вызывая потерю мощности света. Этот промежуточный слой с низким показателем преломления («канавка») действует как потенциальный барьер для световых волн, усиливая отражение и ограничение утекших в оболочку мод, надежно «запирая» световую энергию внутри сердцевины, что обеспечивает отличную устойчивость к изгибам.
Официальные соответствующие линейки продуктов
В официальной линейке продуктов OFSCN® на основе различных профилей показателя преломления и контроля количества слоев стекла разработаны технические продукты для различных условий эксплуатации:
-
OFSCN® G.652D Optical Fiber
Использует стандартный профиль показателя преломления одномодового ступенчатого типа, удовлетворяя обычным требованиям к низким потерям при передаче на большие расстояния.
-
OFSCN® G.657 Optical Fiber
Использует профиль показателя преломления многослойной оболочки с канавкой (Trench-assisted), что значительно снижает потери на изгиб. Подходит для оптоволоконной сенсорики и передачи в условиях миниатюрной упаковки и сложных изгибов.
