Optisk Fiber Tutorial – Optisk Fiber – Kommunikasjon Fiber

Grunnleggende Vilkår

Refraksjon av lys

som en lysstråle passerer fra en gjennomsiktig medium til et annet, det endrer retning; dette fenomenet kalles brytning av lys. Hvor mye lysstrålen endrer retningen avhenger av brytningsindeksen til mediene.

Brytningsindeks

Brytningsindeks Er lysets hastighet i vakuum (forkortet c, c=299,792.458km / sekund) dividert med lysets hastighet i et materiale (forkortet v). Refraktiv indeks måler hvor mye et materiale bryter lys. Brytningsindeks for et materiale, forkortet som n, er definert som

n=c/v

Snells Lov

i 1621 utledet en nederlandsk fysiker Ved navn Willebrord Snell forholdet mellom de forskjellige lysvinklene når det går fra et gjennomsiktig medium til et annet. Når lys passerer fra et gjennomsiktig materiale til Et annet, bøyes Det i Henhold Til Snells lov som er definert som:

n1sin(θ1) = n2sin(θ2)

hvor:
n1 er brytningsindeksen av middels lys forlater
θ1 er hendelsen vinkel mellom lysstrålen og normal (normal 90° til grensesnittet mellom to materialer)
n2 er brytningsindeksen av materialet lyset er å fylle inn
θ2 er refractive vinkelen mellom lys ray og normal

Merk:

For tilfelle av θ1 = 0° (dvs., en ray vinkelrett på interface) løsningen er θ2 = 0° uavhengig av verdiene av n1 og n2. Det betyr at en stråle som kommer inn i et medium vinkelrett på overflaten, aldri bøyes.

ovennevnte er også gyldig for lys som går fra et tett (høyere n) til et mindre tett (lavere n) materiale; symmetrien Til Snells lov viser at De samme strålebanene gjelder i motsatt retning.

Total Intern Refleksjon

når en lysstråle krysser et grensesnitt til et medium med en høyere brytningsindeks, bøyer den seg mot det normale. Omvendt vil lys som beveger seg krysse et grensesnitt fra et høyere brytningsindeksmedium til et lavere brytningsindeksmedium bøye seg bort fra det normale.

dette har en interessant implikasjon: i en viss vinkel, kjent som den kritiske vinkelen θ, vil lys som beveger seg fra et høyere brytningsindeksmedium til et lavere brytningsindeksmedium, brytes ved 90°; med andre ord, brytes langs grensesnittet.

hvis lyset treffer grensesnittet i en vinkel som er større enn denne kritiske vinkelen, vil den ikke passere gjennom til det andre mediet i det hele tatt. I stedet vil alt reflekteres tilbake til det første mediet, en prosess kjent som total intern refleksjon.

den kritiske vinkelen kan beregnes ut Fra Snells lov, og setter i en vinkel på 90° for vinkelen til den brytede strålekurven θ 2. Dette gir θ1:

Siden

θ2 = 90°

Så

sin(θ2) = 1

og Deretter

θc = θ1 = arcsin(n2/n1)

For eksempel, med lys prøver å dukke opp fra glasset med n1=1.5 til luft (n2 =1), den kritiske vinkelen θc er arcsin(1/1.5), eller 41.8°.

For alle innfallsvinkler som er større enn den kritiske vinkelen, Vil Snells lov ikke kunne løses for brytningsvinkelen, fordi Den vil vise at den brytede vinkelen har en sinus større enn 1, noe som ikke er mulig. I så fall er alt lyset helt reflektert av grensesnittet, og adlyder loven om refleksjon.

Hvordan Optisk Fiber Fungerer

Optiske fibre er helt basert på prinsippet om total intern refleksjon. Dette forklares i det følgende bildet.

Optisk fiber er en lang, tynn streng av veldig rent glass om diameteren av et menneskehår. Optiske fibre er arrangert i bunter kalt optiske kabler og brukes til å overføre lyssignaler over lange avstander.

Strukturen Til En Optisk Fiber

Typiske optiske fibre består av kjerne, kledning og bufferbelegg.

kjernen er den indre delen av fiberen, som styrer lys. Kledningen omgir kjernen helt. Brytningsindeksen til kjernen er høyere enn kledningen, så lys i kjernen som rammer grensen med kledningen i en vinkel grunnere enn kritisk vinkel, reflekteres tilbake i kjernen ved total intern refleksjon.

for de vanligste optiske glassfibertypene, som inkluderer 1550nm enkeltmodusfibre og 850nm eller 1300nm multimodefibre, varierer kjernediameteren fra 8 ~ 62,5 µ. Den vanligste kledningsdiameteren er 125 µ. Materialet i bufferbelegg er vanligvis myk eller hard plast som akryl, nylon og med diameter varierer fra 250 µ til 900 µ. Bufferbelegg gir mekanisk beskyttelse og bøyefleksibilitet for fiberen.

Optisk Fiber Modus

Hva Er Fiber Modus?

en optisk fiber styrer lysbølger i forskjellige mønstre kalt moduser. Modus beskriver fordelingen av lysenergi over fiberen. De nøyaktige mønstrene avhenger av bølgelengden til lys som overføres og på variasjonen i brytningsindeksen som former kjernen. I hovedsak skaper variasjonene i brytningsindeksen grenseforhold som former hvordan lysbølger beveger seg gjennom fiberen, som veggene i en tunnel påvirker hvordan lyder ekko inni.

Vi kan ta en titt på storkjerne trinnindeksfibre. Lysstråler kommer inn i fiberen i en rekke vinkler, og stråler i forskjellige vinkler kan alle stabilt reise nedover fiberens lengde så lenge de treffer kjernekledningsgrensesnittet i en vinkel som er større enn kritisk vinkel. Disse strålene er forskjellige moduser.

Fibre som bærer mer enn en modus ved en bestemt lysbølgelengde kalles multimodefibre. Noen fibre har svært liten diameter kjerne som de kan bære bare en modus som reiser som en rett linje i midten av kjernen. Disse fibrene er enkeltmodusfibre. Dette er illustrert i følgende bilde.

Optisk Fiber Indeksprofil

Indeksprofil er brytningsindeksfordelingen over kjernen og kledningen av en fiber. Noen optisk fiber har en trinnindeksprofil, hvor kjernen har en jevnt fordelt indeks og kledningen har en lavere jevnt fordelt indeks. Andre optiske fibre har en gradert indeksprofil, hvor brytningsindeksen varierer gradvis som en funksjon av radial avstand fra fibersenteret. Gradert indeks profiler inkluderer power-law indeks profiler og parabolske indeks profiler. Folgende figur viser noen vanlige typer indeksprofiler for enkeltmodus og multimodefibre.

Optisk Fibers Numeriske Blenderåpning (NA)

Multimode optisk fiber vil bare forplante lys som kommer inn i fiberen i en bestemt kjegle, kjent som akseptkeglen til fiberen. Halvvinkelen på denne kjeglen kalles akseptvinkelen, θ. For trinn-indeks multimodefiber bestemmes akseptvinkelen bare av brytningsindeksene:

hvor
n er brytningsindeksen til mediumet lyset reiser før du går inn i fiberen
nf er brytningsindeksen til fiberkjernen
nc er brytningsindeksen til kledningen

hvordan beregne antall moduser i en fiber?

Modi er noen Ganger preget av tall. Enkeltmodusfibre bærer bare laveste rekkefølge modus, tildelt nummer 0. Multimodefibre har også høyere rekkefølge moduser. Antall moduser som kan forplante seg i en fiber, avhenger av fiberens numeriske blenderåpning (eller akseptvinkel), så vel som på kjernediameteren og bølgelengden til lyset. For en trinn-indeks multimodefiber er antallet slike moduser, Nm, tilnærmet med

Hvor
d er kjernediameteren
λ er driftsbølgelengden
NA ER den numeriske blenderåpningen (eller akseptvinkelen)

Merk: denne formelen er bare en tilnærming og virker ikke for fibre som bærer bare noen få moduser.