Критическая частота и длина волны волоконного световода

При передаче электромагнитной энергии по волокну основная ее часть распространяется внутри сердцевины, часть же проникает в оболочку, где экспоненциально затухает. Степень уменьшения напряженности поля определяется волновым числом оболочки g. При больших значениях волнoвого числа (высоких частотах) поле концентрируется внутри сердцевины. С уменьшением g₂ поле перераспределяется в пространстве вне сердцевины и при g2 = 0 выходит из волокна (излучается). Частота, при которой это происходит, называется частотой отсечки, или критической частотой.

Критическая частота определяется при g₂=0 и имеет вид:

где V – нормированная (характеристическая) частота волокна.

Характеристическая частота представляет собой обобщенный параметр, включающий диаметр сердцевины, длину волны и коэффициенты преломления сердцевины и оболочки:

Таким образом, каждая мода имеет характеристическую частоту, которая определяет ее область существования. Тип мод определяется также параметром V = Р_mn (n характеризует число изменений поля по периметру световода, a  m − по диаметру).

B таблице 4.1 приведены значения V для некоторых типов волн.

Таблица 4.1 − Типы волн в оптическом волокне

Из таблицы 4.1 видно, что только одна несимметричная мода НE₁₁ имеет V = 0, а следовательно, эта волна не имеет критической частоты и может распространяться при любой частоте и диаметре сердцевины.

Выбирая параметры световода (λ, d, n1, n2) таким образом, чтобы следующие высшие моды c более высокими частотами отсечки не могли распространяться, можно получить режим распространения только одной (основной) моды НЕ₁₁.

Таким образом, при 0<<V<2,405 наблюдается одномодовый режим распространения.

Рабочая частота и диаметр сердцевины световода при одномодовом режиме выбираются из условий

Практически одномодовый режим достигается при применении волокон c d≈λ. Для увеличения d надо стремиться к уменьшению разницы между показателями преломления сердцевины и оболочки (n1≈n2).

C увеличением диаметра сердцевины и уменьшением длины волны число мод возрастает и устанавливается многомодовый режим передачи.

B настоящее время принято при работе на длинах волн λ=(0,8... 1,6) мкм применять световоды c диаметром сердцевины d = (4...10) мкм для одномодовой передачи и для многомодовой передачи волокна c диаметром сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм.