Optické Vlákno Tutorial – Optických Vláken – Komunikační Vlákno

Základní Pojmy

Lom světla,

Jako světelný paprsek prochází z jednoho průhledného prostředí do druhého, mění směr; tento jev se nazývá lom světla. Jak moc tento světelný paprsek mění svůj směr, závisí na indexu lomu médií.

Index Lomu

index Lomu je rychlost světla ve vakuu (ve zkratce c, c=299,792.458 km / s) děleno rychlostí světla v materiálu (zkráceně v). Index lomu měří, kolik materiálu láme světlo. Index lomu materiálu, zkráceně n, který je definován jako

n=c/v

Snellova Zákona,

V roce 1621, holandský fyzik jménem Willebrord Snell odvozen vztah mezi různými úhly světla při průchodu z jednoho průhledného prostředí do druhého. Když světlo přechází z jednoho průhledného materiálu do druhého, ohýbá se podle Snellova zákona, který je definován jako:

n1sin(θ1) = n2sin(θ2)

kde:
n1 je index lomu média, světlo odchází
θ1 je incident úhel mezi paprskem světla a normální (normální je 90° na rozhraní mezi dvěma materiály)
n2 je index lomu materiálu světlo vstupuje
θ2 je úhel lomu mezi světlem ray a normální

Poznámka:

Pro případ θ1 = 0° (tj. paprsek kolmo na rozhraní) řešení je θ2 = 0°, bez ohledu na hodnoty n1 a n2. To znamená, že paprsek vstupující do média kolmého na povrch není nikdy ohnutý.

výše uvedené je platné i pro světlo z husté (vyšší n), k méně husté (nižší n) materiál; symetrie Snellova zákona vyplývá, že stejné ray cesty jsou použitelné v opačném směru.

Celkový Vnitřní Odraz

Když světelný paprsek prochází rozhraním do prostředí s vyšším indexem lomu, se ohýbá směrem k normálu. Naopak, světlo putující přes rozhraní z média s vyšším indexem lomu na médium s nižším indexem lomu se ohne od normálu.

To má zajímavé důsledky: v určitém úhlu, známý jako kritický úhel θc, světlo cestovat z vyšší index lomu střední až nižší index lomu média budou láme v úhlu 90°; jinými slovy, láme podél rozhraní.

pokud světlo dopadne na rozhraní v jakémkoli úhlu větším, než je tento kritický úhel, neprojde vůbec do druhého média. Místo toho se vše odrazí zpět do prvního média, což je proces známý jako celková vnitřní reflexe.

kritický úhel lze vypočítat ze Snellova zákona, přičemž úhel lomeného paprsku θ2 je 90°. To dává θ1:

Od

θ2 = 90°

sin(θ2) = 1

θc = θ1 = arcsin(n2/n1)

například, se světlem snaží dostat ze skla s n1=1.5 do vzduch (n2 =1), kritický úhel θc je arcsin(1/1.5), nebo 41.8°.

Pro libovolný úhel dopadu větší než kritický úhel, Snellova zákona nebude moci být vyřešen pro úhel lomu, protože to ukáže, že lomený úhel má sinus větší než 1, což není možné. V takovém případě se veškeré světlo zcela odráží mimo rozhraní a dodržuje zákon reflexe.

jak optické vlákno funguje

optická vlákna jsou založena výhradně na principu celkového vnitřního odrazu. To je vysvětleno na následujícím obrázku.

Optické vlákno je dlouhý, tenký pramen z velmi čistého skla o průměru lidského vlasu. Optická vlákna jsou uspořádána ve svazcích nazývaných optické kabely a používají se k přenosu světelných signálů na velké vzdálenosti.

struktura optického vlákna

typická optická vlákna se skládají z jádra, opláštění a pufrového povlaku.

jádro je vnitřní část vlákna, která vede světlo. Plášť obklopuje jádro zcela. Index lomu jádra je vyšší než u obkladu, takže světla v jádru, že udeří na hranici s obklady v úhlu menší než kritický úhel se odráží zpět do jádra pomocí totálního odrazu.

Pro většinu běžných optických skleněných vláken typů, které zahrnuje 1550nm single mode vlákna a 850nm nebo 1300nm multimode vlákna, průměr jádra se pohybuje od 8 ~ 62.5 µm. Nejběžnější průměr opláštění je 125 µm. Materiál pufrového povlaku je obvykle měkký nebo tvrdý plast, jako je akryl, nylon, a průměr se pohybuje od 250 µm do 900 µm. Vyrovnávací povlak poskytuje mechanickou ochranu a flexibilitu ohybu vlákna.

režim optických vláken

co je režim vláken?

optické vlákno vede světelné vlny v odlišných vzorcích nazývaných režimy. Režim popisuje distribuci světelné energie přes vlákno. Přesné vzory závisí na vlnové délce přenášeného světla a na změně indexu lomu, který formuje jádro. Změny indexu lomu v podstatě vytvářejí okrajové podmínky, které formují, jak světelné vlny procházejí vláknem, jako stěny tunelu ovlivňují, jak se zvuky ozývají uvnitř.

můžeme se podívat na velké jádro krok-index vlákna. Světelné paprsky vstupují do vlákna v různých úhlech a paprsky v různých úhlech mohou všechny stabilně cestovat po délce vlákna, pokud zasáhnou rozhraní jádra a pláště pod úhlem větším než kritický úhel. Tyto paprsky jsou různé režimy.

vlákna, která nesou více než jeden režim při specifické vlnové délce světla, se nazývají multimodová vlákna. Některá vlákna mají jádro s velmi malým průměrem, které mohou nést pouze jeden režim, který se pohybuje jako přímka ve středu jádra. Tato vlákna jsou vlákna s jedním režimem. To je znázorněno na následujícím obrázku.

profil indexu optického vlákna

indexový profil je distribuce indexu lomu napříč jádrem a pláštěm vlákna. Některé optické vlákno má krok index profilu, v němž jádro má rovnoměrně rozloženy index a opláštění má nižší rovnoměrně rozloženy index. Jiné optické vlákno má tříděný indexový profil, ve kterém se index lomu mění postupně v závislosti na radiální vzdálenosti od středu vlákna. Profily tříděného indexu zahrnují profily indexu power-law a profily parabolického indexu. Následující obrázek ukazuje některé běžné typy indexových profilů pro jednomodová a multimodová vlákna.

Optické Vlákno je Numerické Apertury (NA)

Multimode optické vlákno bude pouze šířit světlo které vstoupí do vlákna v určitém kužel, známý jako přijetí kužel z vláken. Poloviční úhel tohoto kužele se nazývá úhel přijetí, θmax. U multimodového vlákna s krokovým indexem je úhel přijetí určen pouze indexy lomu:

, Kde
n je index lomu média, světlo je cestování před vstupem do vláken
nf je index lomu jádra vlákna
nc je index lomu pláště

Jak Vypočítat Počet Režimů Vlákno?

režimy jsou někdy charakterizovány čísly. Vlákna s jedním režimem nesou pouze režim nejnižšího řádu, přiřazený číslu 0. Multimodová vlákna také nesou režimy vyššího řádu. Počet režimů, které se mohou šířit ve vlákně, závisí na číselné apertuře vlákna (nebo úhlu přijetí), jakož i na jeho průměru jádra a vlnové délce světla. Pro step-index multimode vlákna, počet těchto režimů, Nm, je aproximovat

, Kde
D je průměr jádra
λ je provozní vlnová délka,
je NA numerické apertury (nebo přijetí úhel)

Poznámka: tento vzorec je pouze přibližný a nemusí pracovat pro vlákna nesoucí pouze několik režimů.