fibra optica Tutorial-fibra optica-fibra de comunicare

Termeni de bază

refracția luminii

ca o rază de lumină trece de la un mediu transparent la altul, se schimbă direcția; acest fenomen se numește refracție a luminii. Cât de mult își schimbă direcția raza de lumină depinde de indicele de refracție al mediilor.

Indicele de refracție

Indicele de refracție este viteza luminii într-un vid (abreviat c, c=299,792.458 km/secundă) împărțit la viteza luminii într-un material (abreviat v). Indicele de refracție măsoară cât de mult un material refractă lumina. Indicele de refracție al unui material, prescurtat ca n, este definit ca

n=c/v

Legea lui Snell

în 1621, un fizician olandez numit Willebrord Snell a derivat relația dintre diferitele unghiuri ale luminii pe măsură ce trece de la un mediu transparent la altul. Când lumina trece de la un material transparent la altul, se îndoaie conform legii lui Snell, care este definită ca:

n1sin(θ1) = n2sin(θ2)

unde:
n1 este indicele de refracție al mediului în care lumina este lasand
θ1 este incident unghiul dintre fasciculul de lumină și normală (normal este de 90° la interfața dintre două materiale)
n2 este indicele de refracție al materialului lumina intră
θ2 este de refracție unghiul dintre raze de lumină și normal

Notă:

Pentru cazul θ1 = 0° (de exemplu, o raza perpendicular pe interfață) soluția este θ2 = 0°, indiferent de valorile lui n1 și n2. Asta înseamnă că o rază care intră într-un mediu perpendicular pe suprafață nu este niciodată îndoită.

cele de mai sus sunt valabile și pentru lumina care trece de la un material dens (n superior) la un material mai puțin dens (n inferior); simetria legii lui Snell arată că aceleași căi de raze sunt aplicabile în direcția opusă.

reflexie internă totală

când o rază de lumină traversează o interfață într-un mediu cu un indice de refracție mai mare, se îndoaie spre normal. În schimb, călătoria ușoară traversează o interfață de la un mediu cu indice de refracție mai mare la un mediu cu indice de refracție mai mic se va îndoi de normal.

acest lucru are o implicație interesantă: la un anumit unghi, cunoscut sub numele de unghiul critic de unghi, lumina care se deplasează de la un mediu cu indice de refracție mai mare la un mediu cu indice de refracție mai mic va fi refractată la 90 de milimetri; cu alte cuvinte, refractată de-a lungul interfeței.

dacă lumina atinge interfața la un unghi mai mare decât acest unghi critic, nu va trece deloc la cel de-al doilea mediu. În schimb, toate acestea vor fi reflectate înapoi în primul mediu, un proces cunoscut sub numele de reflecție internă totală.

unghiul critic poate fi calculat din Legea lui Snell, punând într-un unghi de 90 la sută pentru unghiul razei refractate la sută 2. Acest lucru vă oferă θ1:

Deoarece

θ2 = 90°

Deci

sin(θ2) = 1

Apoi

θc = θ1 = arcsin(n2/n1)

De exemplu, cu lumina încearcă să iasă din sticlă cu n1=1.5 în aer (n2 =1), unghiul critic θc este arcsin(1/1.5), sau 41.8°.

pentru orice unghi de incidență mai mare decât unghiul critic, legea lui Snell nu va putea fi rezolvată pentru unghiul de refracție, deoarece va arăta că unghiul refractat are un sinus mai mare de 1, ceea ce nu este posibil. În acest caz, toată lumina este reflectată în totalitate de pe interfață, respectând legea reflecției.

cum funcționează Fibra Optică

fibrele optice se bazează în întregime pe principiul reflexiei interne totale. Acest lucru este explicat în imaginea următoare.

fibra optică este un fir lung și subțire de sticlă foarte pură despre diametrul unui păr uman. Fibrele optice sunt aranjate în mănunchiuri numite cabluri optice și utilizate pentru a transmite semnale luminoase pe distanțe lungi.

structura unei fibre optice

fibrele optice tipice sunt compuse din miez, placare și acoperire tampon.

miezul este partea interioară a fibrei, care ghidează lumina. Placarea înconjoară complet miezul. Indicele de refracție al miezului este mai mare decât cel al placării, astfel încât lumina din miez care lovește limita cu placarea la un unghi mai puțin adânc decât unghiul critic va fi reflectată înapoi în miez prin reflexie internă totală.

pentru cele mai comune tipuri de fibre optice de sticlă, care include fibre de 1550nm cu un singur mod și fibre multimodale de 850nm sau 1300nm, diametrul miezului variază de la 8 ~ 62,5 unktimm. Cel mai comun diametru de placare este de 125 de metri cubi. Materialul de acoperire tampon este, de obicei, plastic moale sau dur, cum ar fi acrilic, nailon și cu diametrul variază de la 250 la 900 la 900 la sută. Acoperirea tampon oferă protecție mecanică și flexibilitate de îndoire pentru fibră.

modul fibră optică

ce este modul fibră?

o fibră optică ghidează undele luminoase în modele distincte numite moduri. Modul descrie distribuția energiei luminoase pe fibră. Modelele precise depind de lungimea de undă a luminii transmise și de variația indicelui de refracție care modelează miezul. În esență, variațiile indicelui de refracție creează condiții limită care modelează modul în care undele luminoase călătoresc prin fibră, precum pereții unui tunel afectează modul în care sunetele ecou în interior.

putem arunca o privire asupra fibrelor cu indice pas cu miez mare. Razele de lumină intră în fibră într-o gamă de unghiuri, iar razele din unghiuri diferite pot călători în mod stabil pe lungimea fibrei, atâta timp cât lovesc interfața de placare a miezului la un unghi mai mare decât unghiul critic. Aceste raze sunt moduri diferite.

fibrele care transportă mai multe moduri la o anumită lungime de undă a luminii se numesc fibre multimodale. Unele fibre au miez cu diametru foarte mic, încât pot transporta un singur mod care se deplasează ca o linie dreaptă în centrul miezului. Aceste fibre sunt fibre cu un singur mod. Acest lucru este ilustrat în imaginea următoare.

profil indice fibră optică

profil Index este distribuția indicelui de refracție pe miez și pe placarea unei fibre. Unele fibre optice au un profil de index pas, în care miezul are un indice distribuit uniform, iar placarea are un indice distribuit uniform mai mic. Alte fibre optice au un profil index gradat, în care indicele de refracție variază treptat în funcție de distanța radială față de centrul fibrei. Profilurile indexate includ profiluri index power-law și profiluri index parabolice. Figura următoare prezintă câteva tipuri comune de profiluri index pentru fibre cu un singur mod și multimod.

diafragma numerică a fibrei optice (NA)

fibra optică multimodală va propaga doar lumina care intră în fibră într-un anumit con, cunoscut sub numele de conul de acceptare al fibrei. Semiunghiul acestui con se numește unghiul de acceptare, xvmax. Pentru fibra multimodală cu indice pas, unghiul de acceptare este determinat numai de indicii de refracție:

unde
n este indicele de refracție al luminii medii care călătorește înainte de a intra în fibră
nf este indicele de refracție al miezului fibrei
nc este indicele de refracție al placării

cum se calculează numărul de moduri într-o fibră?

modurile sunt uneori caracterizate prin numere. Fibrele cu un singur mod poartă doar modul de comandă cel mai mic, atribuit numărului 0. Fibrele Multimode poartă, de asemenea, moduri de ordin superior. Numărul de moduri care se pot propaga într-o fibră depinde de diafragma numerică a fibrei (sau unghiul de acceptare), precum și de diametrul miezului și de lungimea de undă a luminii. Pentru o fibră multimodală cu indice pas, Numărul de astfel de moduri, Nm, este aproximat de

unde
D este diametrul miezului
XV este lungimea de undă de funcționare
NA este diafragma numerică (sau unghiul de acceptare)

Notă: Această formulă este doar o aproximare și nu funcționează pentru fibrele care transportă doar câteva moduri.