Волокновая оптика и волоконно -оптические кабели используются для передачи энергии и информации света на короткие или большие расстояния. За последние несколько десятилетий волоконная оптика была объединена с полупроводниковыми лазерными диодами и оптическими приемниками, чтобы обеспечить быстрый рост систем оптоволоконной связи. Оптическое волокно представляет собой круговой диэлектрический волновод поперечного сечения, состоящий из ядра, концентрической облицовки вокруг сердечника и немного более низкого показателя преломления (около 1%). Оптические волокна обычно изготавливаются из диоксида кремния с легирующими примесями, такими как GEO2, который изменяет показатель преломления диоксида кремния. Волоконные кабели инкапсулируют волокно в защитный слой, который облегчает обработку волокна, уменьшает перекрестные помехи между соседними волокнами и предотвращает повреждение волокна, когда он прижимается к шероховатым поверхностям. В дополнение к преимуществам передачи света, ограничение света на небольшую площадь в ядре волокна способствовало развитию лазеров волокна и фотонных кристаллических волокон.
Основы волоконной оптики
Рис. 1 Схема критического угла и тира (слева). Свет, облученный на границе раздела ядра, под углом, превышающим критический угол, застрял внутри ядра волокна (справа). Связь между углом получения (), NA и показателем преломления.
На рисунке 1 показано направление падающего света, когда он сталкивается с интерфейсом среды светово-сосудистых (т.е. n2
Оптическое волокно представляет собой круглый диэлектрический волновод с ядром, который имеет более высокий показатель преломления, чем облицовка. Как показано на рисунке 1, если угловое состояние TIR удовлетворено, то свет будет ограничен ядром. NA оптического волокна определяется как синус максимального угла падения () падающего света TIR в сердечнике. На является качественная мера способности оптического волокна концентрировать свет, а также указывает, насколько легко можно соединить свет в волокно. Геометрия и состав оптического волокна определяют набор дискретных электромагнитных полей или волокно -режимов, которые могут распространяться через волокно. Режимы делятся на две широкие категории: излучаемые и проведенные режимы. Свет, испускаемый за пределами указанного угла волокна NA, будет возбуждать режимы излучения.
Эти моды выводят энергию из ядра и быстро ее рассеяют. Свет, излучаемый в НА волокна, обычно производит проводимые режимы, которые ограничены ядром. Эти моды распространяют энергию вдоль волокна, передавая информацию и власть. Если ядро оптического волокна достаточно велика, она может одновременно поддерживать многие режимы проводимости одновременно, то есть многомодовое распространение. Когда свет падает в оптическое волокно, режимы возбуждаются в зависимости от градусов в зависимости от условий падения (например, угла входного конуса, размер пятна, осевой центр) и могут проявлять широкий спектр пространственных распределений. Подобно поперечным режимам лазера, режимы с самым низким порядком оптического волокна имеют почти гауссовое пространственное распределение и, следовательно, имеют много одинаковых преимуществ. Это причина, по которой часто ожидается, что он поддерживает передачу в одном режиме в оптических волокнах. Нормализованный частотный параметр волокна (также известного как V-Number) является очень полезным техническим параметром, который выражает количество режимов на заданной длине волны на основе NA волокна и радиуса сердечника.
Рисунок 2 Типичный спектральный ослабление в кварцевом волокне (слева). По мере того, как свет путешествует вдоль волокна, дисперсия заставляет индивидуальные световые импульсы расширяться во временной области (вверху справа). Пример множества импульсов, представляющих поток информационных бит, которые становятся неузнаваемыми из -за дисперсии после распространения (справа внизу).
Оптическая мощность, распространяющаяся через оптическое волокно, распадается в геометрической прогрессии с длиной волокна из -за поглощения и рассеяния (см. Рисунок 2). Затухание является наиболее важным фактором в системе оптоволоконной связи и непосредственно влияет на уровень сигнала, который может быть получен. В регионах NIR и VIS небольшая поглощение потерь чистого кремнезема обусловлена хвостами полос абсорбции в РПИ и ультрафиолетовой остановке. Примеси, особенно вода в форме гидроксидных ионов, являются более доминирующим источником поглощения в коммерческих оптических волокнах. Недавние улучшения чистоты волокна снизили потерю ослабления в порядке 0. 1 дБ/км. Потеря рассеяния также может привести к ослаблению в виде небольших колебаний показателя преломления в волокне при лечении волокна, а диаметр ядра и геометрия нерегулярны.
Пропускная способность оптического волокна определяет скорость передачи данных. Механизм, который ограничивает полосу пропускания оптического волокна, называется дисперсией. Дисперсия - это расширение легких импульсов, которое происходит, когда они распространяются вдоль волокна. Результатом является то, что один импульс растягивается в другой, а информация становится неразличимой (см. Рисунок 2).
Дисперсия ограничивает пропускную способность и расстояние, на которой может быть передана информация. Существует два основных типа дисперсии: внутримодальная дисперсия и межмодальная дисперсия. Существует два разных типа внутримодальной дисперсии: дисперсия хроматической дисперсии и моды поляризации. Хроматическая дисперсия является просто результатом показателя преломления материала, изменяющегося с длиной волны. Дисперсия поляризации режима обусловлена режимами ортогональной поляризации, движущимися на разных скоростях в волокне в результате двулучепреломления. Межмодальная дисперсия происходит потому, что разные режимы распространения движутся на разных скоростях. Следовательно, интермодальная дисперсия применима только к многомодным волокнам.
Рисунок 3 Контроль поляризации в оптическом волокне, запускаемом сжиманием волокна из разных направлений.
Одномодовые волокна поддерживают режимы, состоящие из двух ортогонально поляризованных режимов. Это является следствием асимметрии поперечного сечения ядра волокна. Как правило, внешние стрессы являются случайными, а результирующая индуцированная двуметровая лучевая оболочка помогает нарушать или рандомизировать поляризационные состояния. Специализированные волокна, называемые сохранением смещения, производят постоянную модель двукратного лучеугодий в течение своей длины. Это достигается путем оптимизации геометрии волокна и материалов, которые создают большое количество напряжений в одном направлении. Эта крупная индуцированная двуметровая биржинация доминирует по сравнению со случайным бир -лучевильностью, что позволяет поддерживать состояние поляризации во время распространения внутри волокна. Контроль состояния поляризации в оптическом волокне аналогично контролю свободного пространства путем применения волновой пластины, которая приводит к изменению фазы двух ортогональных поляризационных состояний. Это достигается за счет стресса, вызванной двуметростью волокна, что вызывает задержку, что приводит к волновому пластину на основе волновода. Аналогичное поляризационное устройство, в том числе волокно, вращающийся вокруг волокна, показано на рисунке 3. Применение давления к оптическому волокну создает линейную двуметровую лучевину, эффективно образуя волоконно -оптический волновод с задержкой, которая изменяется с давлением.
