3.2.5 Całkowite odbicie wewnętrzne
Promień światła, który jest włączany i wyłączany w celu przesłania danych (jedynek i zer) w światłowodzie, musi w nim pozostać aż do momentu dotarcia do odległego końca. Promień nie może zostać załamany i przedostać się do materiału otaczającego światłowód. Załamanie spowodowałoby utratę części energii światła zawartej w promieniu. Światłowód musi być zaprojektowany w taki sposób, aby jego powierzchnia zewnętrzna działała jak lustro dla poruszającego się w nim promienia światła. Jeśli promień światła próbujący wydostać się przez ścianę światłowodu zostanie odbity do wnętrza światłowodu pod kątem kierującym go w stronę odległego końca światłowodu, będzie to dobry „tunel" lub „rurociąg" dla fal świetlnych.
Dzięki znajomości praw odbicia i załamania można zaprojektować taki światłowód, który będzie przenosił fale świetlne z minimalną utratą energii. Aby promień świetlny w światłowodzie był odbijany z powrotem do światłowodu bez straty energii spowodowanej załamaniem, muszą zostać spełnione następujące dwa warunki:
Rdzeń światłowodu musi mieć większy współczynnik załamania (n), niż otaczający go materiał. Materiał otaczający rdzeń światłowodu jest nazywany płaszczem.
Kąt padania promienia świetlnego musi być większy niż kąt krytyczny dla rdzenia i płaszcza.
Gdy spełnione są oba te warunki, całe światło wpadające do światłowodu jest odbijane z powrotem do jego wnętrza. Zjawisko to jest nazywane całkowitym odbiciem wewnętrznym i stanowi fundamentalną zasadę projektowania światłowodów. Całkowite odbicie wewnętrzne powoduje, że promienie świetlne w światłowodzie odbijają się od granicy rdzenia z płaszczem i kontynuują podróż w kierunku odległego końca światłowodu. Światło będzie poruszać się poprzez rdzeń światłowodu wielokrotnie załamaną ścieżką.
Światłowód spełniający pierwszy warunek można utworzyć z łatwością. Ponadto można kontrolować kąt padania promieni świetlnych wchodzących do rdzenia. Wprowadzenie ograniczeń dwóch wymienionych poniżej czynników umożliwia kontrolowanie kąta padania:
Apertura numeryczna światłowodu - apertura numeryczna rdzenia to zakres kątów padania, pod którymi promienie światła mogą wejść w światłowód, aby zostać całkowicie odbite.
Mody - ścieżki, którymi promień światła może się poruszać podczas przechodzenia przez światłowód.
Kontrolując oba te warunki, można uzyskać całkowite odbicie wewnętrzne w światłowodzie. Dzięki temu można utworzyć przewodnik fal świetlnych znajdujący zastosowanie w transmisji danych.