światłowód poradnik – światłowód-Komunikacja światłowód

podstawowe pojęcia

załamanie światła

gdy promień światła przechodzi z jednego przezroczystego medium do drugiego, zmienia kierunek; zjawisko to nazywa się załamaniem światła. Jak bardzo promień światła zmienia swój kierunek zależy od współczynnika załamania światła mediów.

współczynnik załamania światła

współczynnik załamania światła to prędkość światła w próżni (w skrócie c, c=299,792).458km / s) podzielona przez prędkość światła w materiale (w skrócie v). Współczynnik załamania światła Mierzy, jak bardzo Materiał załamuje światło. Współczynnik załamania światła w materiale, w skrócie n, jest zdefiniowany jako

N=C/v

prawo Snella

w 1621 roku Holenderski fizyk Willebrord Snell określił zależność pomiędzy różnymi kątami światła przechodzącymi z jednego przezroczystego ośrodka do drugiego. Kiedy światło przechodzi z jednego przezroczystego materiału do drugiego, wygina się zgodnie z prawem Snella, które jest zdefiniowane jako:

n1sin(θ1) = n2sin(θ2)

gdzie:
N1 jest współczynnikiem załamania medium, które opuszcza światło
θ1 jest kątem padania między wiązką światła a normalną (normalna wynosi 90° do interfejsu między dwoma materiałami)
N2 jest współczynnikiem załamania materiału, do którego wchodzi światło
θ2 jest kątem załamania światła

uwaga:

dla przypadku θ1 = 0° (tj. promienia prostopadłego do interfejsu) rozwiązaniem jest θ2 = 0° niezależnie od wartości N1 i N2. Oznacza to, że promień wchodzący w medium prostopadłe do powierzchni nigdy nie jest wygięty.

powyższe odnosi się również do światła przechodzącego z gęstego (wyższe n) do mniej gęstego (niższe N) materiału; symetria prawa Snella pokazuje, że te same ścieżki promienia mają zastosowanie w przeciwnym kierunku.

całkowite odbicie wewnętrzne

gdy promień światła przecina interfejs w medium o wyższym współczynniku załamania, wygina się w kierunku normy. I odwrotnie, światło poruszające się przez interfejs z wyższego współczynnika załamania światła do niższego współczynnika załamania światła odchyli się od normy.

ma to interesującą implikację: pod pewnym kątem, znanym jako kąt krytyczny θc, światło poruszające się z wyższego współczynnika załamania światła do niższego współczynnika załamania światła będzie załamywane pod kątem 90°; innymi słowy, załamane wzdłuż interfejsu.

jeśli światło uderzy w interfejs pod dowolnym kątem większym niż ten kąt krytyczny, w ogóle nie przejdzie do drugiego medium. Zamiast tego wszystko zostanie odbite z powrotem do pierwszego medium, procesu znanego jako całkowite odbicie wewnętrzne.

kąt krytyczny można obliczyć z prawa Snella, podając kąt 90° dla kąta załamanego promienia θ2. Daje to θ1:

od

θ2 = 90°

tak

sin(θ2) = 1

następnie

θc = θ1 = arcsin(n2/n1)

na przykład, przy próbie wydostania się światła Ze Szkła Z N1=1,5 do powietrza (N2 =1), kąt krytyczny θc wynosi łuk(1/1, 5), czyli 41,8°.

dla dowolnego kąta padania większego niż kąt krytyczny, prawo Snella nie będzie w stanie rozwiązać kąta załamania, ponieważ pokaże, że kąt załamania ma sinus większy niż 1, co nie jest możliwe. W takim przypadku całe światło jest całkowicie odbijane od interfejsu, przestrzegając prawa odbicia.

jak działa światłowód

światłowody opierają się całkowicie na zasadzie całkowitego wewnętrznego odbicia. Jest to wyjaśnione na poniższym rysunku.

światłowód to długa, cienka nić bardzo czystego szkła o średnicy ludzkiego włosa. Włókna optyczne są rozmieszczone w wiązkach zwanych kablami optycznymi i służą do przesyłania sygnałów świetlnych na duże odległości.

struktura światłowodu

typowe włókna optyczne składają się z rdzenia, okładziny i powłoki buforowej.

rdzeń jest wewnętrzną częścią włókna, która prowadzi światło. Okładzina otacza rdzeń całkowicie. Współczynnik załamania światła rdzenia jest wyższy niż Okładziny, więc światło w rdzeniu, które uderza w granicę z okładziną pod kątem płytszym niż kąt krytyczny, zostanie odbite z powrotem do rdzenia przez całkowite odbicie wewnętrzne.

w przypadku najczęstszych typów włókien optycznych, które obejmują włókna jednomodowe 1550 nm i włókna wielomodowe 850 nm lub 1300 nm, Średnica rdzenia wynosi od 8 ~ 62,5 µm. Najczęściej średnica Okładziny wynosi 125 µm. Materiał powłoki buforowej jest zwykle miękkim lub twardym tworzywem sztucznym, takim jak akryl, nylon i o średnicy od 250 µm do 900 µm. Powłoka buforowa zapewnia ochronę mechaniczną i elastyczność zginania włókna.

tryb światłowodowy

co to jest tryb światłowodowy?

światłowód prowadzi fale świetlne w różnych wzorach zwanych trybami. Tryb opisuje dystrybucję energii świetlnej przez włókno. Dokładne wzory zależą od długości fali przepuszczanego światła i od zmiany współczynnika załamania światła, który kształtuje rdzeń. Zasadniczo zmiany współczynnika załamania tworzą warunki brzegowe, które kształtują, w jaki sposób fale świetlne przemieszczają się przez włókno, podobnie jak ściany tunelu wpływają na echo dźwięków wewnątrz.

Promienie świetlne wchodzą do włókna pod różnymi kątami, a promienie pod różnymi kątami mogą stabilnie podróżować w dół długości włókna, o ile trafiają w interfejs rdzenia pod kątem większym niż kąt krytyczny. Promienie te są różne tryby.

włókna, które przenoszą więcej niż jeden tryb przy określonej długości fali światła, nazywane są włóknami wielomodowymi. Niektóre włókna mają rdzeń o bardzo małej średnicy, że mogą przenosić tylko jeden tryb, który podróżuje jako linia prosta w centrum rdzenia. Włókna te są włóknami jednomodowymi. Jest to zilustrowane na poniższym rysunku.

profil wskaźnika światłowodu

profil wskaźnika to rozkład współczynnika załamania światła w całym rdzeniu i okładzinie włókna. Niektóre światłowody mają profil wskaźnika krokowego, w którym rdzeń ma jeden równomiernie rozłożony indeks, a okładzina ma niższy równomiernie rozłożony indeks. Inne włókno optyczne ma stopniowany profil indeksowy, w którym współczynnik załamania zmienia się stopniowo w funkcji odległości radialnej od centrum włókna. Profile stopniowane obejmują profile indeksowe prawa mocy i profile indeksowe paraboliczne. Poniższy rysunek pokazuje kilka typowych profili indeksowych dla włókien jednomodowych i wielomodowych.

Apertura numeryczna światłowodu (NA)

wielomodowe włókno światłowodowe będzie propagować światło, które wchodzi do włókna w określonym stożku, znanym jako stożek akceptacji włókna. Kąt połówkowy tego stożka nazywany jest kątem akceptacji, θmax. Dla światłowodu wielomodowego o wskaźniku stopniowym kąt akceptacji jest określony tylko przez współczynniki załamania światła:

gdzie
n to współczynnik załamania światła średniego światła podróżuje przed wejściem do światłowodu
nf to współczynnik załamania rdzenia światłowodu
nc to współczynnik załamania Okładziny

jak obliczyć ilość trybów w błonniku?

tryby czasami charakteryzują się liczbami. Włókna jednomodowe przenoszą tylko tryb najniższego rzędu, przypisany numer 0. Włókna wielomodowe mają również tryby wyższego rzędu. Liczba trybów, które mogą propagować się w włóknie, zależy od apertury numerycznej włókna (lub kąta akceptacji), a także od jego średnicy rdzenia i długości fali światła. Dla światłowodu wielomodowego o wskaźniku krokowym liczba takich trybów, Nm, jest przybliżona przez

gdzie
D jest średnicą rdzenia
λ jest długością roboczą
NA jest liczbowym aperturą (lub kątem akceptacji)

Uwaga: Ten wzór jest tylko przybliżeniem i nie działa dla włókien przenoszących tylko kilka trybów.