optisk Fiber Tutorial – optisk Fiber – kommunikation Fiber

grundlæggende vilkår

brydning af lys

når en lysstråle passerer fra et gennemsigtigt medium til et andet, ændrer det retning; dette fænomen kaldes brydning af lys. Hvor meget lysstrålen ændrer retning afhænger af mediernes brydningsindeks.

brydningsindeks

brydningsindeks er lysets hastighed i et vakuum (forkortet c, c=299.792.458km / sekund) divideret med lysets hastighed i et materiale (forkortet v). Brydningsindeks måler, hvor meget et materiale bryder lys. Brydningsindeks for et materiale, forkortet n, er defineret som

n=c/v

Snells lov

i 1621 afledte en hollandsk fysiker ved navn Vilbrord Snell forholdet mellem de forskellige lysvinkler, når det passerer fra et gennemsigtigt medium til et andet. Når lys passerer fra et gennemsigtigt materiale til et andet, bøjes det i henhold til Snells lov, der er defineret som:

n1sin(θ1) = n2sin(θ2)

hvor:
n1 er brydningsindekset af det medium, lyset forlader
θ1 er hændelsen vinkel mellem lys stråle og normal (normal 90° til grænsefladen mellem de to materialer)
n2 er brydningsindekset af det materiale, lyset er på vej ind
θ2 er den brydningsindeks vinkel mellem lys ray og normal

Bemærk:

i tilfælde af, at θ1 = 0° (dvs, en stråle vinkelret på fladen) løsningen er θ2 = 0°, uanset om de værdier af n1 og n2. Det betyder, at en stråle, der kommer ind i et medium vinkelret på overfladen, aldrig bøjes.

ovenstående gælder også for lys, der går fra et tæt (højere n) til et mindre tæt (lavere n) materiale; symmetrien i Snells lov viser, at de samme stråleveje kan anvendes i modsat retning.

total intern refleksion

når en lysstråle krydser en grænseflade til et medium med et højere brydningsindeks, bøjer det sig mod det normale. Omvendt krydser lysrejser en grænseflade fra et medium med højere brydningsindeks til et medium med lavere brydningsindeks vil bøje sig væk fra det normale.

dette har en interessant implikation: i en eller anden vinkel, kendt som den kritiske vinkel, vil lys, der bevæger sig fra et højere brydningsindeksmedium til et lavere brydningsindeksmedium, brydes ved 90 liter; med andre ord brydes langs grænsefladen.

hvis lyset rammer grænsefladen i en hvilken som helst vinkel, der er større end denne kritiske vinkel, passerer det slet ikke til det andet medium. I stedet reflekteres det hele tilbage i det første medium, en proces kendt som total intern refleksion.

den kritiske vinkel kan beregnes ud fra Snells lov, idet den sætter en vinkel på 90 liter for vinklen på den brydede stråle LY2. Dette giver θ1:

Siden

θ2 = 90°

Så

sin(θ2) = 1

Derefter

θc = θ1 = arcsin(n2/n1)

, For eksempel, med lys forsøger at komme ud af et glas med n1=1.5 til luft (n2 =1), den kritiske vinkel θc er arcsin(1/1.5), eller 41.8°.

for enhver indfaldsvinkel, der er større end den kritiske vinkel, vil Snells lov ikke være i stand til at blive løst for brydningsvinklen, fordi den vil vise, at den refrakterede vinkel har en sinus større end 1, hvilket ikke er muligt. I så fald reflekteres alt lys fuldstændigt fra grænsefladen og adlyder refleksionsloven.

Sådan fungerer optisk Fiber

optiske fibre er udelukkende baseret på princippet om total intern refleksion. Dette forklares i det følgende billede.

optisk fiber er en lang, tynd streng af meget rent glas omkring diameteren af et menneskehår. Optiske fibre er arrangeret i bundter kaldet optiske kabler og bruges til at transmittere lyssignaler over lange afstande.

strukturen af en optisk Fiber

typiske optiske fibre er sammensat af kerne, beklædning og bufferbelægning.

kernen er den indre del af fiberen, som styrer lys. Beklædningen omgiver kernen fuldstændigt. Brydningsindekset for kernen er højere end beklædningen, så lys i kernen, der rammer grænsen med beklædningen i en vinkel, der er lavere end kritisk vinkel, reflekteres tilbage i kernen ved total intern refleksion.

for de mest almindelige optiske glasfibertyper, der inkluderer 1550nm single mode fibre og 850nm eller 1300nm multimode fibre, ligger kernediameteren fra 8 ~ 62,5 liter. Den mest almindelige beklædningsdiameter er 125 liter. Materialet med bufferbelægning er normalt blød eller hård plast, såsom akryl, nylon og med diameter varierer fra 250 liter til 900 liter. Bufferbelægning giver mekanisk beskyttelse og bøjningsfleksibilitet for fiberen.

optisk Fibertilstand

Hvad er Fibertilstand?

en optisk fiber styrer lysbølger i forskellige mønstre kaldet tilstande. Tilstand beskriver fordelingen af lysenergi over fiberen. De nøjagtige mønstre afhænger af bølgelængden af transmitteret lys og af variationen i brydningsindeks, der former kernen. I det væsentlige skaber variationerne i brydningsindeks grænseforhold, der former, hvordan lysbølger bevæger sig gennem fiberen, ligesom væggene i en tunnel påvirker, hvordan lyde ekko indeni.

vi kan se på store kerne trinindeksfibre. Lysstråler kommer ind i fiberen i en række vinkler, og stråler i forskellige vinkler kan alle stabilt bevæge sig ned ad fiberens længde, så længe de rammer kernebeklædningsgrænsefladen i en vinkel, der er større end kritisk vinkel. Disse stråler er forskellige tilstande.

fibre, der bærer mere end en tilstand ved en bestemt lysbølgelængde, kaldes multimodefibre. Nogle fibre har meget lille diameter kerne, at de kun kan bære en tilstand, der bevæger sig som en lige linje i midten af kernen. Disse fibre er single mode fibre. Dette er illustreret i det følgende billede.

optisk Fiberindeksprofil

Indeksprofil er brydningsindeksfordelingen over kernen og beklædningen af en fiber. Nogle optiske fibre har en trinindeksprofil, hvor kernen har et ensartet fordelt indeks, og beklædningen har et lavere ensartet fordelt indeks. Anden optisk fiber har en graderet indeksprofil, hvor brydningsindeks varierer gradvist som en funktion af radial afstand fra fibercentret. Klassificerede indeksprofiler inkluderer magtretlige indeksprofiler og parabolske indeksprofiler. Følgende figur viser nogle almindelige typer indeksprofiler for single mode og multimode fibre.

optisk fibers numeriske blænde (NA)

Multimode optisk fiber vil kun udbrede lys, der kommer ind i fiberen inden for en bestemt kegle, kendt som fiberens acceptkegle. Halvvinklen på denne kegle kaldes acceptvinklen, krymaks. For trinindeks multimodefibre bestemmes acceptvinklen kun af brydningsindekserne:

hvor
n er brydningsindekset for mediumlyset rejser, før det kommer ind i fiberen
nf er brydningsindekset for fiberkernen
nc er brydningsindekset for beklædningen

Sådan beregnes antal tilstande i en fiber?

tilstande er undertiden kendetegnet ved tal. Single mode fibre bærer kun den laveste ordens tilstand, tildelt nummeret 0. Multimodefibre bærer også højere ordens tilstande. Antallet af tilstande, der kan formere sig i en fiber, afhænger af fiberens numeriske blænde (eller acceptvinkel) såvel som på dens kernediameter og lysets bølgelængde. For en trinindeks multimodefiber er antallet af sådanne tilstande, Nm, tilnærmet med

hvor
D er kernediameteren
List er driftsbølgelængden
NA er den numeriske blænde (eller acceptvinkel)

Bemærk: Denne formel er kun en tilnærmelse og fungerer ikke for fibre, der bærer en kun et par tilstande.