optikai szál bemutató-optikai szál-kommunikációs szál

alapvető feltételek

fénytörés

mivel a fénysugár áthalad az egyik átlátszó közegből a másikba, megváltoztatja az irányt; ezt a jelenséget fénytörésnek nevezik. Az, hogy ez a fénysugár mennyire változtatja meg az irányát, a médiumok törésmutatójától függ.

törésmutató

törésmutató a fény sebessége vákuumban (rövidítve c, c=299,792.458km / másodperc) osztva a fénysebességgel egy anyagban (rövidítve v). A törésmutató azt méri, hogy egy anyag mennyire töri meg a fényt. Egy anyag törésmutatója, rövidítve n, a következőképpen definiálható:

n=c/v

Snell törvénye

1621-ben egy Willebrord Snell nevű holland fizikus levonta a kapcsolatot a fény különböző szögei között, amikor az egyik átlátszó közegről a másikra halad. Amikor a fény áthalad az egyik átlátszó anyagból a másikba, Snell törvénye szerint hajlik, amelyet a következőképpen határozunk meg:

n1sin(θ1) = n2sin(θ2)

, ahol:
n1 a fénytörési index a közegben a fény elhagyja
θ1 az eset közötti szög a fény, valamint a szokásos (normál 90° – kal, hogy a felület között két anyag)
n2 a törésmutató, az anyag, a fény belép
θ2 a fénytörési szög között a fény ray, valamint a normál

Megjegyzés:

az esetben, θ1 = 0° (azaz egy sugár merőleges az interface) a megoldás, θ2 = 0°, függetlenül attól, hogy az értékek n1, illetve n2. Ez azt jelenti, hogy a felületre merőleges közegbe belépő sugár soha nem hajlik meg.

a fentiek érvényesek a sűrű (magasabb n) anyagból egy kevésbé sűrű (alacsonyabb n) anyag felé haladó fényre is; a Snell-törvény szimmetriája azt mutatja, hogy ugyanazok a sugárutak alkalmazhatók ellentétes irányban.

teljes belső visszaverődés

amikor egy fénysugár keresztezi az interfészt egy magasabb törésmutatóval rendelkező közegbe, akkor a normál felé hajlik. Ezzel szemben a magasabb törésmutató közegből az alacsonyabb törésmutató közegbe egy interfészen áthaladó fény elhajlik a normálistól.

ennek érdekes következménye van: valamilyen szögben, az úgynevezett kritikus szögbenc, a magasabb törésmutató közegből az alacsonyabb törésmutató közegbe haladó fény 90-nél megtörik.

ha a fény az interfészt ennél a kritikus szögnél nagyobb szögben éri el, akkor egyáltalán nem jut át a második közegbe. Ehelyett mindez visszaverődik az első közegbe, a teljes belső reflexió néven ismert folyamatba.

a kritikus szög a Snell-törvényből számítható ki, 90-es szöget adva a megtört sugár szöge számára 62. Ez ad θ1:

Mivel

θ2 = 90°

Így

sin(θ2) = 1

Akkor

θc = θ1 = arcsin(n2/n1)

például a fény próbál kilábalni üveg n1=1.5 levegőbe (n2 =1), a kritikus szög θc az arcsin(1/1.5), vagy 41.8°.

a kritikus szögnél nagyobb beesési szög esetén a Snell-törvény nem lesz képes megoldani a fénytörési szöget, mert megmutatja, hogy a megtört szög szinusza nagyobb, mint 1, ami nem lehetséges. Ebben az esetben az összes fény teljesen visszaverődik a felületről, engedelmeskedve a reflexió törvényének.

hogyan működik az optikai szál

az optikai szálak teljes egészében a teljes belső visszaverődés elvén alapulnak. Ezt a következő kép magyarázza.

az optikai szál egy hosszú, vékony, nagyon tiszta üvegszál, amely körülbelül egy emberi haj átmérője. Az optikai szálak optikai kábeleknek nevezett kötegekben vannak elrendezve, és nagy távolságokra továbbítják a fényjeleket.

az optikai szál szerkezete

a tipikus optikai szálak magból, burkolatból és pufferbevonatból állnak.

a mag a szál belső része, amely a fényt irányítja. A burkolat teljesen körülveszi a magot. A törésmutató a mag magasabb, mint a burkolat, így a fény a mag, hogy a sztrájk a határ a burkolat szögben sekélyebb, mint a kritikus szög visszaverődik vissza a mag a teljes belső visszaverődés.

a leggyakoribb optikai üvegszálas típusok esetében, amelyek 1550 nm-es egymódusú szálakat és 850 nm-es vagy 1300 nm-es multimódusú szálakat tartalmaznak, a mag átmérője 8 ~ 62,5 km között mozog. A leggyakoribb burkolatátmérő 125 6m. A pufferbevonat anyaga általában puha vagy kemény műanyag, például akril, nejlon, átmérője 250-900 km. A puffer bevonat mechanikai védelmet és hajlítási rugalmasságot biztosít a szál számára.

optikai szál mód

mi a szálas mód?

az optikai szál a fényhullámokat különböző mintákban, úgynevezett módokban vezeti. A mód leírja a fényenergia eloszlását a szálon. A pontos minták a továbbított fény hullámhosszától és a törésmutató változásától függenek, amely a magot formálja. Lényegében a törésmutató variációi olyan határfeltételeket hoznak létre, amelyek meghatározzák, hogy a fényhullámok hogyan haladnak át a szálon, mint például az alagút falai, befolyásolják a hangok visszhangját.

megnézhetjük a nagy magú lépésindex szálakat. A fénysugarak különböző szögekben jutnak be a szálba, és a különböző szögekben lévő sugarak mind stabilan haladhatnak a szál hosszában, mindaddig, amíg a magburkolat felületét a kritikus szögnél nagyobb szögben érik el. Ezek a sugarak különböző módok.

azokat a szálakat, amelyek egynél több üzemmódot hordoznak egy adott fényhullámhosszon, multimódusú szálaknak nevezzük. Egyes szálak nagyon kis átmérőjű maggal rendelkeznek, hogy csak egy módot hordozhatnak, amely egyenes vonalként halad a mag közepén. Ezek a szálak egymódú szálak. Ezt a következő kép szemlélteti.

optikai szál Index profil

Index profil a törésmutató Eloszlás a mag és a burkolat egy szál. Néhány optikai szál lépésindexprofillal rendelkezik, amelyben a magnak egy egyenletesen elosztott indexe van, a burkolatnak pedig alacsonyabb egyenletesen elosztott indexe van. Más optikai szál Osztályozott indexprofillal rendelkezik, amelyben a törésmutató fokozatosan változik a szálközponttól való sugárirányú távolság függvényében. A Graded-index profilok közé tartoznak a power-law index profilok és a parabolikus index profilok. Az alábbi ábra néhány általános típusú indexprofilt mutat be az egymódusú és a multimódusú szálakhoz.

optikai szál numerikus Apertúrája (NA)

a multimódusú optikai szál csak olyan fényt terjeszt, amely a szálba belép egy bizonyos kúpon belül, amelyet a szál elfogadó kúpjának neveznek. Ennek a kúpnak a félszögét az elfogadási szögnek nevezzük, 6max. Lépésindexű multimódusú szál esetén az elfogadási szöget csak a törésmutatók határozzák meg:

ahol
n a törésmutatója a közepes fény utazik, mielőtt a szál
nf a törésmutatója a szál mag
nc a törésmutatója a burkolat

hogyan lehet kiszámítani az üzemmódok számát egy szálban?

a módokat néha számok jellemzik. Az egymódusú szálak csak a legalacsonyabb rendű módot hordozzák, a 0 számot rendelve. A multimódusú szálak magasabb rendű módokat is hordoznak. A szálban terjedő módok száma a szál numerikus nyílásától (vagy elfogadási szögétől), valamint a mag átmérőjétől és a fény hullámhosszától függ. Egy lépésindexes multimódusú szál esetében az ilyen módok száma, Nm, megközelíti

ahol
D a mag átmérője
6759>ahol
d a működési hullámhossz
NA a numerikus apertúra (vagy elfogadási szög)

Megjegyzés: Ez a képlet csak közelítés, és nem működik olyan szálaknál, amelyek csak néhány mód.