Optical Fiber Tutorial – Optic Fiber-Communication Fiber

Basic Terms

valon taittuminen

kun valonsäde kulkee läpinäkyvältä väliaineelta toiselle, se muuttaa suuntaa; tätä ilmiötä kutsutaan valon taittumiseksi. Kuinka paljon valonsäde muuttaa suuntaansa riippuu väliaineiden taitekertoimesta.

taitekerroin

taitekerroin on valon nopeus tyhjiössä (lyhennettynä c, c=299,792.458km / s) jaettuna materiaalin valonnopeudella (lyhennettynä v). Taitekerroin mittaa, kuinka paljon materiaali taittaa valoa. Materiaalin taitekerroin, lyhennettynä n, määritellään seuraavasti:

n = c / v

Snellin laki

vuonna 1621 Hollantilainen fyysikko Willebrord Snell päätteli valonkulmien välisen suhteen sen siirtyessä läpinäkyvältä väliaineelta toiselle. Kun valo kulkee läpinäkyvästä materiaalista toiseen, se taipuu Snellin lain mukaan, joka määritellään seuraavasti:

n1sin(θ1) = n2sin(θ2)

missä:
N1 on sen väliaineen taitekerroin, josta valo lähtee
θ1 on valonsäteen ja normaalin välinen kohtauskulma (normaali on 90° kahden materiaalin rajapintaan)
N2 on sen materiaalin taitekerroin, johon valo saapuu
θ2 on taitekulma valonsäteen ja normaalin välillä

huomautus:

tapauksessa θ1 = 0° (eli rajapintaan nähden kohtisuorassa oleva säde) ratkaisu on θ2 = 0° riippumatta N1: n ja N2: n arvoista. Se tarkoittaa, että ray, joka tulee väliaineeseen kohtisuoraan pintaa vastaan, ei koskaan taivu.

yllä oleva pätee myös valolle, joka kulkee tiheästä (korkeammasta n) materiaalista heikompaan (alempaan n) aineeseen; Snellin lain symmetrian mukaan samat säderadat pätevät vastakkaissuuntaisesti.

sisäinen Kokonaisheijastus

kun valonsäde ylittää rajapinnan väliaineeseen, jonka taitekerroin on suurempi, se taipuu kohti normaalia. Vastaavasti valon kulkeminen ylittää rajapinnan suuremmasta taitekertoimen väliaineesta pienempään taitekertoimen väliaineeseen taipuu pois normaalista.

tällä on mielenkiintoinen implisiittinen seuraus: jossakin kulmassa, joka tunnetaan kriittisenä kulmana θc, valo, joka kulkee korkeammasta taitekertoimen väliaineesta pienempään taitekertoimen väliaineeseen, taittuu 90°: ssa; toisin sanoen taittuu rajapintaa pitkin.

jos valo osuu rajapintaan jossakin tätä kriittistä kulmaa suuremmassa kulmassa, se ei läpäise sitä toiseen väliaineeseen lainkaan. Sen sijaan kaikki se heijastuu takaisin ensimmäiseen välineeseen, prosessiin, joka tunnetaan täydellisenä sisäisenä pohdintana.

kriittinen kulma voidaan laskea Snellin laista siten, että taittuneen säteen θ2 kulma on 90°. Näin saadaan θ1:

koska

θ2 = 90°

niin

sin(θ2) = 1

sitten

θc = θ1 = kaarsin(n2/n1)

esimerkiksi valon pyrkiessä nousemaan lasista N1=1,5 ilmaan (N2 =1) kriittinen kulma θc on kaarsiini(1/1, 5) eli 41,8°.

minkään kriittistä kulmaa suuremman kohtauskulman osalta Snellin lakia ei voida ratkaista taittokulmalle, koska se osoittaa, että taittuneen kulman sini on suurempi kuin 1, mikä ei ole mahdollista. Siinä tapauksessa kaikki valo heijastuu kokonaan rajapinnasta, noudattaen heijastuksen lakia.

optisen kuidun toiminta

optiset kuidut perustuvat täysin sisäisen kokonaisheijastuksen periaatteeseen. Tämä selitetään seuraavassa kuvassa.

valokuitu on pitkä, ohut hyvin puhtaasta lasista valmistettu säie, joka on suunnilleen ihmisen hiuksen läpimittainen. Optiset kuidut on järjestetty nippuihin, joita kutsutaan optisiksi kaapeleiksi ja joita käytetään valosignaalien välittämiseen pitkiä matkoja.

optisen kuidun rakenne

tyypilliset optiset kuidut koostuvat ytimestä, verhouksesta ja puskuripinnoitteesta.

ydin on kuidun sisäosa, joka ohjaa valoa. Verhous ympäröi ytimen kokonaan. Ytimen taitekerroin on suurempi kuin verhouksen, joten ytimen valo, joka osuu rajapintaan verhouksen kanssa kriittistä kulmaa matalammassa kulmassa, heijastuu takaisin ytimeen sisäisen kokonaisheijastuksen kautta.

yleisimmissä optisissa lasikuitutyypeissä, jotka sisältävät 1550nm: n yksimuotoiset kuidut ja 850nm: n tai 1300nm: n multimodikuidut, ytimen halkaisija vaihtelee 8 ~ 62,5 µm: n välillä. Yleisin verhouksen halkaisija on 125 µm. Puskuripäällysteen materiaali on yleensä pehmeää tai kovaa muovia, kuten akryyliä, nailonia, ja sen halkaisija vaihtelee 250 µm: sta 900 µm: iin. Puskuripinnoite tarjoaa kuidulle mekaanisen suojan ja taipuisuuden.

optinen Kuitutila

mikä on Kuitutila?

valokuitu ohjaa valoaaltoja erillisinä kuvioina, joita kutsutaan moodeiksi. Tila kuvaa valoenergian jakautumista kuidun yli. Tarkat kuviot riippuvat välitetyn valon aallonpituudesta ja ytimen muodostavasta taitekertoimen vaihtelusta. Pohjimmiltaan taitekertoimen vaihtelut luovat reunaehtoja, jotka muokkaavat sitä, miten valoaallot kulkevat kuidun läpi, kuten tunnelin seinät vaikuttavat siihen, miten äänet kaikuvat sisällä.

voidaan tarkastella suurisydämisiä askelindeksikuituja. Valonsäteet tulevat kuidun sisään eri kulmissa, ja eri kulmissa olevat säteet voivat kaikki kulkea vakaasti kuidun pituutta pitkin, kunhan ne osuvat ytimen ja verhouksen rajapintaan kriittistä kulmaa suuremmassa kulmassa. Nämä säteet ovat eri moodeja.

kuituja, jotka kuljettavat useampaa kuin yhtä moodia tietyllä valon aallonpituudella, kutsutaan multimodikuiduiksi. Joillakin kuiduilla on hyvin pieni läpimittainen ydin, että ne voivat kuljettaa vain yhtä tilaa, joka kulkee suorana linjana ytimen keskellä. Nämä kuidut ovat yksimuotoisia kuituja. Tätä havainnollistetaan seuraavassa kuvassa.

optisen kuidun Indeksiprofiili

Indeksiprofiili on kuidun ytimen ja verhouksen taitekerroin. Joissakin valokuiduissa on askelindeksiprofiili, jossa ytimessä on yksi tasaisesti jakautunut indeksi ja verhouksessa alempi tasaisesti jakautunut indeksi. Muilla optisilla kuiduilla on lajiteltu indeksiprofiili, jossa taitekerroin vaihtelee vähitellen säteittäisen etäisyyden funktiona kuitukeskuksesta. Lajiteltuja indeksiprofiileja ovat power-law-indeksiprofiilit ja paraboliset indeksiprofiilit. Seuraavassa kuvassa on joitakin yleisiä indeksiprofiileja single mode-ja multimode-kuiduille.

optisen kuidun numeerinen aukko (NA)

Multimodinen valokuitu levittää vain valoa, joka tulee kuidun sisään tietyn kartion sisällä, joka tunnetaan kuidun hyväksymiskartiona. Tämän kartion puolikulmaa kutsutaan hyväksymiskulmaksi, θmax. Step-index-multimodikuidulle hyväksymiskulma määritetään vain taitekertoimen indeksien avulla:

missä
n on keskivalon taitekerroin ennen kuidun tuloa
NF on kuituytimen taitekerroin
nc on verhouksen taitekerroin

miten lasketaan moodien määrä kuidussa?

moodeja luonnehditaan joskus numeroilla. Yksitilakuidut kantavat vain alimman kertaluvun tilaa, jolle on annettu numero 0. Multimode kuidut myös kuljettaa korkeamman kertaluvun tilat. Kuidussa lisääntyvien moodien määrä riippuu kuidun numeerisesta aukosta (tai hyväksymiskulmasta) sekä sen ytimen halkaisijasta ja valon aallonpituudesta. Step-index-multimodikuidulle tällaisten moodien, Nm, lukumäärää approksimoi

missä
D on ytimen halkaisija
λ on toiminta-aallonpituus
NA on numeerinen aukko (tai hyväksymiskulma)

Huom.Tämä kaava on vain likiarvo eikä toimi kuiduille, jotka kuljettavat vain muutama tila.