7151

Типы волн в световодах. Критические длины и частоты

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Типы волн в световодах. Критические длины и частоты. В сетоводах могут существовать два типа волн: симметричные E0m , H0m несимметричные дипольные EHnm, HEnm. В индексе n - число изменений поля по диаметру m - число изменений поля по периметру. Сим...

Русский

2013-01-17

76 KB

16 чел.

Типы волн в световодах. Критические длины и частоты.

В сетоводах могут существовать два типа волн: симметричные E0m , H0m несимметричные дипольные EHnm, HEnm. В индексе n - число изменений поля по диаметру; m - число изменений поля по периметру. Симметричные волны электрические Е0m и магнитные H0m имеют круговую симметрию (n=0).  

Раздельное распространение по световоду несимметричных волн типа невозможно. В световоде они существуют только совместно, т.е. имеются продольные составляющие Е и Н. Эти волны называются смешанными, дипольными и обозначаются через HЕnm , если поле в поперечном сечении напоминает поле Н, или EНnm , если поле в поперечном сечении ближе к волнам Е.

Из всей номенклатуры смешанных волн в оптических кабелях наибольшее применение получила волна типа НЕ11 (или ЕН10). На этой волне работают одномодовые  световоды, имеющие наибольшую пропускную способность

Представляет интерес сопоставить указанную классификацию электромагнитных волн с лучевой классификацией.

Как уже отмечалось, по волоконным световодам возможна передача двух видов лучей: меридиональных и косых. Меридиональные лучи расположены в плоскости, проходящей через ось волоконного световода. Косые лучи не пересекают ось световода.

Меридиональным лучам соответствуют симметричные электрические Е0m  и магнитныеH0m волны, косым лучам - несимметричные гибридные EНnm и HЕnm волны.

Если точеченый источник излучения расположен по оси световода, то имеются только меридиональные лучи и соответственно симметричные волны Е0m , H0m. Если же точечный источник расположен вне оси световода или имеется сложный источник, то появляются одновременно как меридиональные, так и косые лучи и свойственные им симметричные Е0m , H0m и несимметричные гибридные (EНnm и HЕnm) волны.

Несимметричные волны типа Enm и Hnm в волоконных световодах существовать не могут. Эти волны возбуждаются только в металлических волноводах.

Основное уравнение передачи по волоконному световоду для случая  может быть значительно упрощено применительно к различным типам волн.

Для симметричных волн правая часть уравнения (8) равна нулю, тогда имеем два различных уравнения для электрической Е0m и магнитной  Н0m волн:

для Е0m

 

для Н0m

Для смешанных дипольных волн можно получить следующие приближенные уравнения:

для НЕnm

для ЕНnm

Для области часто, далеко отстоящих от критической частоты, можно воспользоваться более простыми выражениями:

для НEnm      

для ЕHnm         

Данные выражения позволяют определять структуру поля, параметры волн и характеристики волоконного световода при различных типах волн и частотах.

Каждый тип волны (мода) имеют свою критическую частоту и длину волны. Наличие критической частоты в волоконных световодах объясняется тем, что при очень высоких частотах почти вся энергия концентрируется внутри сердечника световода, а с уменьшением частоты происходит перераспределение поля и энергия переходит в окружающее пространство. При определенной частоте fo - критической, или частоте отсечки, поле больше не распространяется вдоль световода и вся энергия рассиевается в окружающим пространстве.

Ранее были приведены следующие соотношения:

где - коэффициент фазы в световоде;

k1 и k2 - волновое число  соответственно сердечника

           и оболочки световода:

g1 и g2 - поперечное волновое число соответственно

           для сердечника и оболочки.

       а - радиус сердечника волокна.

Учитывая, что

получим    .

Полагая, что r=a , произведем сложение левых и правых частей приведенных выражений

 

Для определения критической частоты fo надо принять g2=0. При всех значениях g2>0 поле концентрируется в сердечнике световода, а при g2=0 оно выходит из сердечника и процесс распространения по световоду прекращается. По закону геометрической оптики условие g2=0 соответствует углу полного внутреннего отражения, при котором отсутствует преломленная волна, а есть толь падающая и отраженная волны. Тогда при g2=0 имеем  

Подставив в эту формулу значение , получим    , откуда критическая частота световода   .

Умножив числитель и знаменатель на параметр а (радиус сердечника), получим значение критической частоты

и критической длины волны

,

где g1a- корни бесселевых функций.

Так как световоды изготавливаются из немагнитных материалов (), то

.

Принципиально аналогичный результат можно получить лучевым методом непосредственно из законов геометрической оптики путем сопоставления падающей, отраженной и преломленной волн на границе сердечник-оболочка световода.

Анализируя полученные соотношения, можно сказать, что чем толще сердечник световода и чем больше отличаются , тем больше критическая длина волны и соответственно ниже критическая частота волоконного световода. Из формул видно также, что при равенстве оптических характеристик, в первую очередь диэлектрической проницаемости сердечника и оболочки, т.е. при , критическая длина волны , а критическая частота  и передача по такому световоду невозможна. Это имеет свое логическое обоснование: как уже сказано, волоконный световод работает на принципе многократного отражения от границы оптических несоответствий сердечника и оболочки, и эта граница является направляющей средой распространения электромагнитной энергии. При  световод перестает действовать как направляющая система передачи.

Для определения критических частот различных типов волн рассмотрим корни ранее полученного выражения бесселевых функций J0m(g1a) для симметричных и Jnm(g1a) для несимметричных волн. Эти равенства дают бесконечное число корней, значения которых приведены в табл. 1.

Таблица 1

n   

Значение корня (g1a) при m, равном

Тип волны

1

2

3

0

1

1

2

2

2,405

0,000

3,832

2,445

5,136

5,520

3,832

7,016

5,538

8,417

8,654

7,016

10,173

8,665

11,620

Е,  Н

НЕ

ЕН

НЕ

ЕН

Рассмотрим физический смысл приведенных в табл.1 корней бесселевых функций g1a. Поскольку при отсечке g2=0, т.е. , то из выражения  имеем

Последнее выражение обратно пропорционально , т.е. прямо пропорционально критической частоте f0 . Кроме того, оно включает в себя исходные параметры волокна: а, n1, n2. Данное выражение носит название нормированной частоты и в этом виде часто используется  в световодной технике. Таким образом, нормированная частота

,

где - длина волны в вакууме.

При такой трактовке табл.1 содержит нормированные частоты  для волн, тип которых указан в правой колонке таблицы, а индекс nm составлен из чисел левого столбца и верхней строки соответствующей клетке, в которой находится данная величина . Каждой  соответствует критическая частота f0.

При < имеем f<f0, т.е. частота меньше критической и волна по сердечнику волокна не распространяется, другими словами не существует. Область существования волны, имеющей нормированную частоту отсечки > составляет f>f0.

Из табл.1 видно, что для несимметричной волны НЕ11 значение =0; следовательно, эта волна не имеет критической частоты и может распространяться при любой частоте и диаметре сердечника. Все другие волны не распространяются на частотах ниже критической. Табл.1 можно преобразовать и привести к следующему виду (табл.2)

Таблица 2

Диапазон частот

Дополнительные моды

Число мод

0,000-2,405

2,405-3,832

3,832-5,316

5,316-5,520

5,520-6,380

6,380-7,016

7,016-7,588

7,588-8,417

8,417-11,620

HE11

H01, E01, HE21

HE12, EH11, HE31

EH21, HE41

H02, E02, HE22

EH31, HE51

HE13, EH12, HE32

EH41, HE61

EH22, E03, H03, EH13, HE23, EH23

2

6

12

16

20

24

30

34

40

Из табл.2 следует, что с увеличением частоты появляются новые типы волн. Так, начиная с =2,405 появляются волны H01, E01, HE21, при =3,832 возникают дополнительные волны HE12, EH11, HE31 и т.д.

Итак, интервал значений =g1a, при которых в световоде распространяется лишь один тип волн НЕ11, находится в пределах 0<<2,405, поэтому при выборе частоты передачи или толщины сердечника одномодового световода исходят из этого условия :

.

Одномодовый режим практически достигается при применении очень тонких волокон, равных по диаметру длине волны . Кроме того, надо стремиться к уменьшению разницы между показателями преломления сердечника и оболочки .

Диаметр сердечника волоконного световода для одномодовой передачи может быть определен из следующей формулы:

.

Пример: для световода из стекловолокна с показателем преломления сердечника 1,48 и показателем преломления оболочки 1,447 при волне Е01 длиной 1,55мкм для одноволновой передачи получим

 мкм


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30194. Право на застройку земельного участка 29.1 KB
  КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА Право на застройку земельного участка. Дипломная работа на тему: Право на застройку земельного участка. Цель дипломной работы изучить сущность права на застройку земельного участка выявив проблемы в данной области и возможные пути их решения. Задачи исследования: Изучить понятие и правовое значение права на застройку земельного участка; Рассмотреть процесс предоставления земельного участка под застройку; Проанализировать последствия осуществления самовольной застройки; Рассмотреть вопросы связанные с...
30195. Сравнительная характеристика первой и второй редакции концерта Я.Сибелиуса d-moll 44.3 KB
  Ян Сибелиус принадлежит к тем нашим композиторам кто наиболее правдиво и без всяких усилий передает своей музыкой характер финского народа. Флодин Ян Сибелиус финский композитор с мировой славой представитель романтического направления на своей родине автор выдающихся симфонических поэм и множества симфонии XX века. Сибелиус является одним из тех композиторов которым очень четко удалось передать в своих произведениях мифы родного народа его природу историю и менталитет. После окончания Второй Мировой войны Сибелиуса начали...
30196. Приготовление борща 1.09 MB
  По данным этимологических словарей славянских языков[2] слово борщ произошло от названия растения: первоначально борщом назывался борщевик, съедобные листья которого использовались в пищу (по-видимому, распространённое мнение о том, что «бърщь» является старославянским названием свёклы, следует отнести к народной этимологии
30197. Расчет электрических показателей автоматизированного цеха 9.3 MB
  Расчет нагрузок для ЯУ5115 В данное РУ входят вентиляторы мощностью Рн =45 кВт Определяется суммарная мощность по формуле Рн∑ = Рн ∙п кВт 1 Изм. Определяется средняя активная мощность за наиболее нагруженную смену по формуле Рсм=Ки∙ Рн∑ кВт 2 где Ки коэффициент использования электроприемников определяется на основании опыта эксплуатации [по табл. Определяется средняя реактивная мощность за наиболее нагруженную смену по формуле Qсм =Рсм∙ квар 3 где коэффициент реактивной мощности определяется на основании...
30198. Опытно – экспериментальная работа по теме «Нетрадиционные графические материалы и техники» 105.16 KB
  Суть искусства определяется тем что оно представляет собой наиболее полную и действенную форму эстетического осознания окружающего мира. Задачи исследования: Рассмотреть особенности эстетического воспитания младших школьников в начальных классах общеобразовательной школы. Эстетическое воспитание младших школьников в начальных классах общеобразовательной школы Понятие об эстетическом воспитании Идеи эстетического воспитания зародились в глубокой древности.Представления о сущности эстетического воспитания его задачах цели изменялись...
30199. ВЛИЯНИЕ ПРОДОВОЛЬСТВЕННОГО КРИЗИСА НА ЦЕНЫ И ПОТРЕБЛЕНИЕ ВНУТРИ СТРАНЫ 25.86 KB
  Тогда вслед за экономическим кризисом стали резко расти цены на продовольственные товары. Индекс продовольственных цен на зерновые культуры по оценке ФАО в 2008 году достиг небывалых высот 2378 пунктов рост за 12 месяцев составил 709 пунктов. Многие страны ощутили на себе отрицательные последствия резкого роста цен на зерно однако КНР благодаря своей развитой системе аграрного производства именно зерновых культур а также широкой зерновой базе удалось сгладить или даже избежать подобных последствий.
30200. Моделирование систем управления различного уровня 1.04 MB
  Новшества различного рода проявляют себя в организациях в виде организационной модернизации системы управления, что требует уточнения основных параметров системы, отдельных связей, применение более эффективных методов их реализации, увеличение уровня надежности. Организационная модернизация системы затрагивает уже не только отдельные связи, но и структуру управления, в общем
30201. Общая классификация вторжений и характеристика угроз 136.5 KB
  3] Правовая защита Защита информации Возросший интерес к проблеме защиты информации основан на объективных процессах создания и сбора информации и информационного обмена. Угроза искажения информации существует в любой точке сети начиная от места ввода в сеть сообщения и до места его получения. Проблемы защиты информации затрагивают различные аспекты ее представления хранения и обработки а также вопросы выбора и реализации средств защиты.
30202. Налоги и налогообложение. Методические указания по выполнению аналитической части дипломной работы 60.5 KB
  Содержание и оформление разделов основной части ВКР По структуре дипломная работа должна состоять из следующих разделов: Введение; Теоретическая часть работы; Практическая часть работы; Заключение. В общем виде ВКР включает пояснительную записку и иллюстрационные плакаты. II раздел баланса стр. 220 стр.