Światłowód i całkowite wewnętrzne odbicie

Światłowód to cienkie włókno ze szkła lub tworzywa sztucznego z rdzeniem o wysokim współczynniku załamania, otoczonym płaszczem o niższym współczynniku. Światło wprowadzone do rdzenia jest uwięzione i prowadzone wzdłuż jego długości dzięki całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, co pozwala sygnałom pokonywać duże odległości przy bardzo małych stratach.

Całkowite wewnętrzne odbicie zachodzi, gdy światło biegnące w gęstszym rdzeniu napotyka granicę z mniej gęstym płaszczem pod kątem padania większym niż kąt graniczny. Zamiast załamać się na zewnątrz, cała energia światła odbija się z powrotem do rdzenia, więc do ograniczenia wiązki nie są potrzebne żadne lustra.

Kąt graniczny wyznacza się z prawa Snella jako θ_c = arcsin(n₂/n₁), gdzie n₁ to współczynnik załamania rdzenia, a n₂ płaszcza. Ponieważ stosunek n₂/n₁ jest tuż poniżej jedności, kąt graniczny jest duży, więc tylko promienie padające bardzo stromo nie ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.

Ustawiają współczynniki załamania dwóch obszarów szklanych. Symulacja wymusza, aby współczynnik rdzenia n₁ pozostawał wyższy niż współczynnik płaszcza n₂, ponieważ prowadzenie światła wymaga, by rdzeń był optycznie gęstszy. Zbliżenie tych dwóch wartości zmniejsza różnicę współczynników, co zwęża stożek akceptacji i sprawia, że prowadzonych jest mniej promieni.

Apertura numeryczna (NA) mierzy stożek kątów, w którym światłowód może przyjąć i prowadzić światło. Oblicza się ją jako NA = √(n₁²−n₂²), a połowa kąta akceptacji wynika z θ_a = arcsin(NA). Większa różnica współczynników daje wyższe NA i szerszy stożek akceptacji.

Promień jest prowadzony tylko wtedy, gdy jego kąt względem osi światłowodu pozostaje w granicach kąta akceptacji, co odpowiada temu, że kąt padania na ściankę przekracza kąt graniczny. Promienie wprowadzone zbyt stromo naruszają ten warunek, załamują się przez ściankę rdzenia i uciekają do płaszcza. Symulacja rysuje te uciekające promienie na czerwono.

Światłowód jednomodowy ma mały rdzeń i minimalną różnicę współczynników, więc obsługuje tylko jedną prowadzoną drogę światła i w dużej mierze unika dyspersji modowej, co jest idealne dla łączy dalekiego zasięgu. Światłowód wielomodowy ma większy rdzeń, obsługujący wiele dróg promieni jednocześnie. Ustawienia wstępne przełączają symulację między tymi trybami.

Liczba V, V = πdNA/λ, łączy średnicę rdzenia, aperturę numeryczną i długość fali, wskazując, ile modów obsługuje światłowód. Gdy V jest mniejsze niż około 2,405, światłowód jest jednomodowy i niesie jeden mod; większe wartości pozwalają na wiele modów. Wielkość ta rządzi kompromisem między rozmiarem rdzenia a szerokością pasma.

Kąt graniczny, apertura numeryczna i kąt akceptacji są obliczane na podstawie standardowych wzorów optyki promieniowej i poprawnie aktualizują się wraz z suwakami. Animowane zygzakowate promienie to uproszczony model wizualny, a nie pełny solver modów elektromagnetycznych, więc wiernie ilustrują geometrię prowadzenia światła, nie modelując efektów falowych, takich jak interferencja.

Światłowody stanowią szkielet globalnego internetu, łącząc centra danych, miasta i kontynenty z przepustowością rzędu terabitów na sekundę. Są też wykorzystywane w endoskopach medycznych, czujnikach światłowodowych oraz szybkich sieciach lokalnych. Ich odporność na zakłócenia elektromagnetyczne i bardzo mała strata sygnału czynią je lepszymi od miedzi w komunikacji na duże odległości.