Fibre Optice

Propagarea luminii în fibra optica

Legile optice permit descrierea reflexiei totale la suprafata de separatie dintre miez-învelis a fibrei optice.

Pentru a efectua o analiza mai detaliata a posibilitatilor de propagare ale luminii în miezul sticlei, trebuie sa consideram fenomenele opticii ondulatorii; aceasta devine necesar datorita diametrelor caracteristice miezurilor fibrelor, cuprinse între 10 si 100 mm si care sunt, în consecinta, cu putin mai mari decât lungimea de unda a luminii transportate, care e în jur de 1mm.

Datorita acestui fapt, anumite fenomene de interferenta care apar nu pot fi aplicate decât cu ajutorul teoriei optice ondulatorii.

Superpozitia a doua sau mai multe unde si combinarea lor într-una singura este, în general, numita interferenta.

O manifestare tipica a interferentei a doua unde este obtinuta când ele au aceeasi lungime de unda si când exista un defazaj constant între ele. Astfel de unde se numesc unde coerente. Daca într-un punct din spatiu, cele doua unde difera în faza lor, printr-un multiplu par al lungimii de unda l, atunci are loc o însumare a amplitudinilor. Pe de alta parte, în cazul unei defazaj egal cu un multiplu al jumatatii de unda (l/2) se produce o scadere, iar în cazul a doua unde având aceeasi amplitudine, are loc o anulare locala a undelor.

Daca consideram doua surse luminoase obisnuite (becuri electrice) si le suprapunem lumina, nu observam nici un tip de interferenta pentru ca lumina lor e incoerenta. Acest fapt e datorat procesului de emisie a luminii (în exemplu precizat filamentele fluorescente).

În cazul fenomenelor spontane si aleatorii, fiecare atom al filamentelor incandescente emite „ flash-uri “ de lumina care au serii de unde cu o durata de viata în jur de 10-8s. Considerând ca viteza luminii în aer este 3×108 m/s, aceste serii de unde au o lungime de 3 m. Aceasta lungime este numita „lungime de coerenta“. Suprapunerea acestor serii de unde este complet neregulata si ocazioneaza doar iluminarea globala a spatiului înconjurator.

Pentru transmisia pe fibre optice este necesar sa se gaseasca o sursa luminoasa cât mai coerenta. Prin urmare, largimea spectrala va trebui sa fie cât mai mica. Spre deosebire de diodele electroluminiscente, dioda laser ofera, gratie unei emisii stimulate, o diferenta de faza constanta la o aceeasi lungime de unda. Prin urmare, fenomenele de interferenta apar în ghidul de unda, ceea ce poate fi constatat din faptul ca lumina se propaga doar sub unghiuri bine determinate în miezul fibrei; prin „determinate“ întelegându-se ca propagarea are loc în directii în care undele luminoase sunt amplificate prin suprapunerea lor si prezinta o interferenta constructiva. Undele luminoase capabile sa se propage într-o fibra optica sunt numite moduri (unde naturale).

Aceste moduri pot fi determinate matematic, mai precis prin ecuatiile lui Maxwell.

Acest sistem de ecuatii, de obicei utilizat pentru unde electromagnetice, poate fi simplificat în mod considerabil în ceea ce priveste fibrele optice, daca nu tinem seama decât de undele slab ghidate.

Este vorba de unde care se propaga aproape în directia axiala a fibrei si care prezinta o intensitate neglijabila a câmpului, în lungul axei. Ele apar daca indicii de refractie ai sticlei miezului n1 si sticlei învelisului n2 nu difera decât foarte putin.