Явление интерференции и дифракции

Интерференция в оптическом волокне — явление, возникающее при наложении световых волн, распространяющихся по разным траекториям. В многомодовых волокнах это приводит к формированию узоров усиления и затухания на выходе, которые крайне чувствительны к изгибам. Для связистов важно понимать это явление, хотя оно неизбежно и не оказывает существенного влияния на их работу, так как его невозможно полностью устранить.

В оптическом волокне свет распространяется за счёт полного внутреннего отражения. В многомодовых волокнах свет идёт по множеству траекторий (мод), каждая с собственной фазой. На выходе волокна эти моды накладываются, создавая интерференцию конструктивную, где волны в фазе усиливают друг друга (создавая яркие пятна) и деструктивная, где волны в противофазе гасят друг друга (тёмные пятна).

В результате на выходе формируются модовые узоры — чередующиеся области света и тени, зависящие от длины волокна, числа мод и условий ввода света.

Когда сгибается оптоволоконный кабель, свет внутри него начинает вести себя по-другому — меняются пути, по которым проходит луч, что приводит к сдвигу фаз даже при совсем небольшом изгибе. Если изгиб слишком сильный, часть света может выйти за пределы сердцевины кабеля, что уменьшает его влияние на сигнал.

Из-за этих изменений узоры на конце волокна могут полностью измениться: яркие пятна могут стать темными, а структура узоров может стать совсем другой.

Интерференция в многомодовых волокнах вызывает модовую дисперсию - сигнал растягивается из-за разной скорости мод. Это ограничивает скорость на коротких линиях. Но современные системы используют одномодовые волокна для дальних линий, где интерференции нет или градиентные многомодовые, которые уменьшают дисперсию.

На практике, у связистов проблем с этим явлением нет. При построении линии связи соблюдаются правила прокладки, включая минимальный радиус изгиба (10-30 мм). Интерференция учитывается при проектировании, а в эксплуатации её влияние компенсируется оптимизированными системами передачи данных.

Дифракция

Дифракция — фундаментальное свойство света, проявляющееся при его взаимодействии с препятствиями или ограничениями, сравнимыми с длиной волны. В оптическом волокне дифракция играет важную роль, особенно на входе, выходе и в местах неоднородностей волокна. Это явление влияет на распределение света и может создавать характерные узоры, напоминающие интерференционные, но с уникальными особенностями. Для связистов дифракция не является значительной проблемой, так как её эффекты неизбежны и учтены в конструкции волокон, но понимание её важно для оптимизации систем связи.

Дифракция возникает, когда световые волны огибают препятствия или проходят через узкие отверстия, такие как сердцевина волокна. В оптическом волокне она наиболее заметна: на входе, где свет дифрагирует из-за малого диаметра сердцевины (особенно в одномодовых волокнах ~8–10 мкм); на выходе, где формируются дифракционные узоры; и при дефектах (микротрещины, изгибы), действующих как препятствия. Это приводит к расхождению пучка и формированию узоров, зависящих от длины волны, размера сердцевины и угла ввода света.

На выходе оптического волокна дифракция создаёт характерные картины, такие как кольца, пятна и сложные структуры (в многомодовых волокнах дифракция сочетается с интерференцией мод, формируя неоднородные узоры с яркими и тёмными областями). Эти узоры зависят от диаметра сердцевины, длины волны и расстояния от торца волокна до точки наблюдения.

Влияние дифракции на распространение света

Вход и выход света

На входе: Дифракция ограничивает эффективность ввода света в волокно. Если пучок света шире сердцевины, часть энергии рассеивается из-за дифракционных потерь. Это требует точного выравнивания лазера или источника света.

На выходе: Дифракция вызывает расхождение пучка, что усложняет фокусировку света в приёмные устройства или соединение с другими волокнами. Например, в одномодовых волокнах угол расхождения может составлять 5–10 градусов, что требует использования линз.

Влияние изгибов и дефектов
Изгибы волокна изменяют условия дифракции:

Микроизгибы: Локальные деформации вызывают рассеяние света, усиливая дифракционные потери. Это приводит к ослаблению сигнала.

Неоднородности: Дефекты в сердцевине (например, пузырьки или трещины) действуют как дифракционные решётки, создавая дополнительные узоры и потери энергии.

Для связистов дифракция не представляет значительной проблемы, так как её эффекты учтены в конструкции волокон и компенсируются стандартными методами.