Закон Снелля · Критичний кут · Числова апертура · V-число · Одномодові та багатомодові
Світло, замкнене всередині скляного осердя завдяки повному внутрішньому відбиттю — без дзеркал, без металу, лише закон Снелля на межі скло-скло. Ця симуляція дає змогу досліджувати всі ключові параметри оптичного волокна в реальному часі.
Коли світло падає на межу серцевина-оболонка під кутом, більшим за критичний θc = arcsin(n2/n1), 100% енергії відбивається назад. Числова апертура NA = √(n1²−n2²) визначає конус кутів, під якими промені можуть увійти та поширюватись. V-число V = πdNA/λ визначає кількість мод: одномодові волокна (V < 2,405) несуть одну електромагнітну моду, усуваючи модову дисперсію та забезпечуючи швидкість передачі Тбіт/с на тисячах кілометрів.
Використовуйте кнопки пресетів для перемикання між одномодовим (тонке осердя, мала різниця показників) та багатомодовим (велике осердя, багато відбитих променів) режимами. Підніміть повзунок КП серцевини над КП оболонки — коли вони близькі, конус прийому звужується і менше променів направляється. Стежте за V-числом: коли воно падає нижче 2,405 — виживає лише один шлях променя. Кут прийому показує максимальний нахил від осі, під яким можна спрямувати джерело світла у волокно.
Глобальний інтернет працює на оптичному волокні — одна тонша за волос скляна нитка передає понад 100 Тбіт/с. Оптоволокно комерційно використовується з 1977 року; сьогодні у світі прокладено понад 1 млрд км волокна — цього достатньо, щоб обвити Землю 25 000 разів. Медичні ендоскопи використовують пучки тисяч волокон, щоб хірурги могли бачити всередину тіла без відкритої операції. У 2009 році Нобелівська премія з фізики була присуджена Чарльзу Гао за піонерські роботи з передачі світла в оптичних волокнах.
Ця симуляція відтворює бічний вигляд ступінчастого оптичного волокна за допомогою фрагментного шейдера GLSL. Світло, введене у серцевину з високим показником заломлення (n₁), рухається зиґзаґом уздовж волокна завдяки повному внутрішньому відбиттю, яке виникає щоразу, коли промінь падає на стінку серцевина–оболонка під кутом, що перевищує критичний, заданий формулою θc = arcsin(n₂/n₁). Промені, що виходять за межу прийому волокна, не відбиваються і витікають у оболонку з нижчим показником.
Повзунки КП серцевини та КП оболонки задають два показники заломлення (n₁ завжди утримується вищим за n₂), повзунок кута введення нахиляє вхідні промені від осі волокна, а повзунок кількості променів додає більше імпульсів для ілюстрації багатомодової поведінки. Живі показники відображають критичний кут, числову апертуру NA = √(n₁²−n₂²) та кут прийому. Оптичні волокна передають практично весь сучасний далекомагістральний інтернет-трафік, тому ці параметри є центральними для сучасних телекомунікацій.
Що таке оптичне волокно?
Оптичне волокно — це тонка нитка зі скла або пластику з серцевиною з високим показником заломлення, оточеною оболонкою з нижчим показником. Світло, введене в серцевину, утримується і поширюється вздовж неї завдяки повному внутрішньому відбиттю, що дозволяє сигналам долати великі відстані з дуже малими втратами.
Що таке повне внутрішнє відбиття?
Повне внутрішнє відбиття виникає, коли світло, що поширюється в більш щільній серцевині, досягає межі з менш щільною оболонкою під кутом падіння, більшим за критичний. Замість того щоб заломитися назовні, вся енергія світла відбивається назад у серцевину — жодних дзеркал для утримання пучка не потрібно.
Як розраховується критичний кут?
Критичний кут знаходять із закону Снелля як θc = arcsin(n₂/n₁), де n₁ — показник серцевини, а n₂ — показник оболонки. Оскільки відношення n₂/n₁ трохи менше одиниці, критичний кут великий, тому лише дуже похило падаючі промені не зазнають повного внутрішнього відбиття.
Вони задають показники заломлення двох скляних областей. Симуляція примушує показник серцевини n₁ залишатися вищим за показник оболонки n₂, оскільки для проведення світла серцевина має бути оптично щільнішою. Зближення двох значень зменшує різницю показників, що звужує конус прийому і дозволяє проводити менше променів.
Числова апертура (NA) вимірює конус кутів, під якими волокно може приймати та проводити світло. Вона обчислюється як NA = √(n₁²−n₂²), а кут прийому (половинний) знаходять із θa = arcsin(NA). Більша різниця показників дає вищу NA і ширший конус прийому.
Промінь проводиться лише тоді, коли його кут від осі волокна залишається в межах кута прийому, що рівнозначно перевищенню критичного кута на стінці. Промені, введені під надто великим кутом, порушують цю умову, заломлюються крізь стінку серцевини і втікають в оболонку. Симуляція зображує ці промені, що витікають, червоним кольором.
Одномодове волокно має малу серцевину та незначну різницю показників, тому підтримує лише один шлях поширення світла й практично усуває модову дисперсію — що ідеально для далекомагістральних ліній зв'язку. Багатомодове волокно має більшу серцевину, яка підтримує багато шляхів променів одночасно. Пресети перемикають симуляцію між цими режимами.
V-число, V = πdNA/λ, поєднує діаметр серцевини, числову апертуру та довжину хвилі, вказуючи, скільки мод підтримує волокно. Коли V менше приблизно 2,405 — волокно є одномодовим і несе одну моду; більші значення допускають багато мод. Воно визначає компроміс між розміром серцевини та смугою пропускання.
Критичний кут, числова апертура та кут прийому обчислюються за стандартними формулами геометричної оптики і коректно оновлюються при переміщенні повзунків. Анімовані зиґзаґоподібні промені є спрощеною візуальною моделлю, а не повним електромагнітним розв'язувачем мод, тому вони наочно ілюструють геометрію проведення без моделювання хвильових ефектів, таких як інтерференція.
Оптичні волокна забезпечують основу глобального інтернету, з'єднуючи центри обробки даних, міста і континенти з пропускною здатністю в терабіти за секунду. Вони також використовуються в медичних ендоскопах, волоконно-оптичних датчиках та швидкісних локальних мережах. Їхня несприйнятливість до електромагнітних завад і дуже низькі втрати сигналу роблять їх кращими за мідь для зв'язку на великі відстані.