Optika vlakana i optički kabeli koriste se za prijenos lagane energije i informacija na kratkim ili velikim udaljenostima. U posljednjih nekoliko desetljeća optika vlakana kombinirana je s poluvodičkim laserskim diodama i optičkim prijemnicima kako bi se omogućio brzi rast optičkih komunikacijskih sustava. Optičko vlakno je kružni dielektrični valovod presjeka koji se sastoji od jezgre, koncentrične obloge oko jezgre i nešto nižeg indeksa loma (oko 1%). Optička vlakna obično su izrađena od silicij -dioksida s dopantima kao što je GeO2, koji mijenja indeks loma silicij -dioksida. Optički kablovi vlakna kapsuliraju vlakno u zaštitni sloj koji vlakno olakšava rukovanje, smanjuje prekrivač između susjednih vlakana i sprječava oštećenje vlakana kada se pritisne na grube površine. Pored prednosti prijenosa svjetlosti, zatvaranje svjetlosti na malo područje unutar jezgre vlakana olakšalo je razvoj vlaknastih lasera i fotonskih kristalnih vlakana.
Osnove optike vlakana
Sl. 1 Shema kritičnog kuta i TIR (lijevo). Svjetlo ozlijeđeno na sučelju jezgre pod kutom većim od kritičnog kuta zarobljeno je unutar jezgre vlakana (desno). Odnos između prijemnog kuta (), NA i indeksa loma.
Na slici 1 prikazan je smjer incidentne svjetlosti dok nailazi na sučelje svjetlosnog medija (tj. N2
Optičko vlakno je kružni dielektrični valovod s jezgrom koji ima veći indeks loma od obloge. Kao što je prikazano na slici 1, ako je zadovoljeno kutno stanje TIR -a, tada će svjetlo biti ograničeno u jezgri. Na optičkog vlakna definira se kao sinus maksimalnog kuta incidencije () TIR incidentne svjetlosti u jezgri.Na je kvalitativna mjera sposobnosti optičkog vlakna da koncentrira svjetlost, a također ukazuje na to koliko je lako spajati svjetlost u vlakno. Geometrija i sastav optičkih vlakana određuje skup diskretnih elektromagnetskih polja ili načina vlakana koji se mogu širiti kroz vlakno. Načini spadaju u dvije široke kategorije: zračene i provedene načine. Svjetlost koja se emitira izvan navedenog kuta vlakana Na pobudit će načine zračenja.
Ovi načini izvode energiju iz jezgre i brzo je rasipaju. Svjetlost koja se emitira unutar Na vlakana obično proizvodi provedene moduse koji su ograničeni na jezgru. Ovi načini šire energiju duž vlakana, prenose informacije i energiju. Ako je jezgra optičkih vlakana dovoljno velika, istovremeno može podržati mnoge načine provođenja, tj. Proporavanje multimoda. Kad se svjetlost incidira u optičko vlakno, načini su uzbuđeni u različitoj stupnjevi, ovisno o uvjetima incidenta (npr. Ulazni kut konusa, veličina toka, aksijalni centar) i mogu pokazati širok izbor prostorne raspodjele. Kao i poprečni načini lasera, načini najnižeg reda optičkih vlakana imaju gotovo gaussovu prostornu distribuciju i stoga imaju mnoge iste prednosti. To je razlog zašto se često očekuje da održava prijenos s jednim načinom u optičkim vlaknima. Normalizirani frekvencijski parametar vlakana (također poznat kao V-broj) vrlo je koristan tehnički parametar koji izražava broj modusa na određenoj valnoj duljini na temelju NA vlakana i polumjera jezgre.
Slika 2 Tipično spektralno prigušenje u kvarcnom vlaknu (lijevo). Dok svjetlost putuje duž vlakana, disperzija uzrokuje da se pojedinačni svjetlosni impulsi šire u vremenskoj domeni (gore desno). Primjer višestrukih impulsa koji predstavljaju tok informativnih bitova koji postaju neprepoznatljivi zbog disperzije nakon širenja (donje desno).
Optička snaga koja se širi kroz optičko vlakno propada eksponencijalno duljinom vlakana zbog apsorpcije i gubitaka raspršivanja (vidi sliku 2). Prigušenje je najvažniji faktor u komunikacijskom sustavu optičkih vlakana i izravno utječe na razinu signala koji se može primiti. U regijama NIR i Vis, mali gubitak apsorpcije čistog silicijevog dioksida nastaje zbog repova apsorpcijskih pojasa u FIR i UV. Nečistoće, posebno voda u obliku hidroksidnih iona, dominantniji su izvor apsorpcije u komercijalnim optičkim vlaknima. Nedavna poboljšanja čistoće vlakana smanjila su gubitak prigušivanja na redoslijed 0. 1 dB/km. Gubitak raspršivanja također može dovesti do prigušenja u obliku malih fluktuacija indeksa loma u vlaknima kada se vlakna izliječe, a promjer jezgre i geometrija nepravilni.
Širina opsega optičkog vlakana određuje brzinu prijenosa podataka. Mehanizam koji ograničava propusnost optičkog vlakana naziva se disperzija. Disperzija je širenje svjetlosnih impulsa koji se javljaju dok se šire duž vlakana. Rezultat je da se jedan puls proteže u drugi i da se informacije ne razlikuju (vidi sliku 2).
Disperzija ograničava širinu pojasa i udaljenost preko koje se informacije mogu prenijeti. Postoje dvije glavne vrste disperzije: unutar-modalna disperzija i među-modalna disperzija. Postoje dvije različite vrste intra-modalne disperzije: disperzija kromatske disperzije i polarizacije. Kromatska disperzija jednostavno je rezultat indeksa loma materijala koji se mijenja s valnom duljinom. Disperzija polarizacije nastaje zbog ortogonalnih načina polarizacije koji putuju različitim brzinama u vlaknima kao rezultat birefringentnosti. Intermodalna disperzija nastaje zato što različiti načini širenja putuju različitim brzinama. Stoga se intermodalna disperzija odnosi samo na multimodna vlakna.
Slika 3 Kontrola polarizacije u optičkom vlaknu pokrenuto stiskanjem vlakana iz različitih smjerova.
Jednostruki način podrške vlakana koji se sastoje od dva ortogonalno polarizirana načina. To je posljedica asimetrije presjeka jezgre vlakana. Obično su vanjska naprezanja slučajna, a rezultirajući inducirana birefringentnost pomaže u ometu ili randomiziranju stanja polarizacije. Specijalna vlakna, koja se nazivaju vlakna koja čuvaju pristranost, stvaraju dosljedan uzorak birefringentnih u odnosu na njihovu dužinu. To se postiže optimiziranjem geometrije vlakana i materijala koji u jednom smjeru daju veliku količinu naprezanja. Ova velika inducirana birefringencija dominira u usporedbi sa slučajnom birefringencijom, omogućavajući održavanje polarizacijskog stanja tijekom širenja unutar vlakana. Kontroliranje stanja polarizacije u optičkom vlaknu analogno je kontroli slobodnog prostora primjenom valne ploče koja uzrokuje promjenu faze dviju ortogonalnih stanja polarizacije. To se postiže birefringencijom vlakana izazvanog stresom, što uzrokuje kašnjenje, što rezultira valnom pločom zasnovanom na valovodu. Sličan polarizacijski uređaj, uključujući vlaknasti stisak koji se okreće oko vlakana, prikazan je na slici 3. Primjena tlaka na optičko vlakno stvara linearnu birefringentnost, učinkovito formirajući vlaknasti optički valovod s kašnjenjem koji varira od tlaka.
