Особливості розповсюдження хвиль в циліндричних хвилеводах

Розглянемо особливості розповсюдження хвиль в циліндричних хвилеводах. Уявимо, що паралельний пучок падає на торець такого хвилеводу під довільним кутом. В цьому випадку лише невелика частина промінів ввійде у хвилевід через площину, в якій лежить вісь хвилеводу. Ця площина (меридіональна площина) позначена на рисунку 2.6.1а сірим кольором. Такі промені мають назву меридіональних. Вони позначені на рисунку літерою (1). Всі інші промені називають косими. Коси промені позначені літерою (2). Можна показати, що розповсюдження меридіональних променів аналогічне розповсюдженню хвиль в плоскому хвилеводі. Ці промені розповсюджуються вздовж меридіональної площини. Відповідно вся фізика, співвідношення, закономірності, встановленні для плоских хвилеводів є справедливими для циліндричних волокон.

Щодо косих променів, то процес їх розповсюдження значно складніше. Тому не будемо проводити загальний аналітичний аналіз, а лише акцентуємо увагу на деяких фактах.

1. На відміну від меридіональних променів, траєкторія косих променів не лежить в площині, а утворює деяку ломану спіраль. При цьому проекція цієї спіралі на площину перпендикулярну до осі волокна (рис. 2.6.2) утворює деяку систему хорд розташованих на одній відстані від центру волокна .

2. Зауважимо, що для “ТЕ-, ТМ-освітлення” волокна, стан поляризації для меридіональних променів не змінюється і відповідає поляризації падаючого випромінювання, оскільки меридіональна площина перпендикулярна до поверхні волокна (див. рис.2.6.1б, ситуація (1)). В той же час площина падіння косих променів складає певний кут з площиною дотичною до волокна в точці зустрічі проміню з волокном (рис. 2.6.1б, ситуація (2)). Тоді процес розповсюдження хвилі у волокні необхідно розглядати як розповсюдження ТЕ- і ТМ-моди, на розкладається хвиля в точці зустрічі. При цьому відомо, що ТЕ- і ТМ-моди набувають різних фазових затримок при взаємодії хвилі з поверхнею волокна.

Отже в загальному випадку поле на виході волокна (у сякому разі багатомодового) поляризовано неоднорідно і еліптично. Для ситуації одномодового волокна все дещо складніше (або простіше) і в певному випадку освітлення (вхідний пучок перпендикулярний до торця волокна) стан поляризації може зберігатися.

3. У переважній більшості випадків, поле на виході багатомодового волокна можна охарактеризувати як спекл-поле (рис. 2.6.3), інтенсивність якого являє собою сукупність хаотично розташованих плям, різного розміру та яскравості. Поляризація такого поля характеризується просторовою неоднорідністю та змінюється від лінійної до циркулярної незалежно від стану поляризації вхідного пучка. Проте, після певної відстані розповсюдження сигналу часові затримки, які асоціюються з різними модами стають значно більше часу когерентності джерела, яким вони створені. В цьому випадку результуюча інтенсивність стає суперпозицією некогерентних сигналів. Як наслідок, в решті решт, розподіл інтенсивності на виході волокна регуляризується та стає практично гаусовим.