optisk fiber Tutorial-optisk Fiber-kommunikation Fiber

grundläggande termer

brytning av ljus

som en ljusstråle passerar från ett transparent medium till ett annat, det ändrar riktning; detta fenomen kallas brytning av ljus. Hur mycket den ljusstrålen ändrar sin riktning beror på mediernas brytningsindex.

brytningsindex

brytningsindex är ljusets hastighet i vakuum (förkortat c, c=299,792.458km / sekund) dividerat med ljusets hastighet i ett material (förkortat v). Brytningsindex mäter hur mycket ett material bryter ljus. Brytningsindex för ett material, förkortat n, definieras som

n=c/v

Snells lag

år 1621 härledde en holländsk fysiker vid namn Willebrord Snell förhållandet mellan de olika ljusvinklarna när det passerar från ett transparent medium till ett annat. När ljus passerar från ett transparent material till ett annat böjer det sig enligt Snells lag som definieras som:

n1sin(θ1) = n2sin(θ2)

där:
n1 är brytningsindex för det medium som ljuset lämnar
θ1 är den infallande vinkeln mellan strålen och normal (normalt är 90° till gränssnittet mellan två material)
n2 är brytningsindex för det material som ljuset är på väg in
θ2 är refraktiv vinkeln mellan ljus ray och normal

Observera:

För fall av θ1 = 0° (dvs, en stråle vinkelrätt mot interface) lösningen är θ2 = 0° oavsett värden på n1 och n2. Det betyder att en stråle som kommer in i ett medium vinkelrätt mot ytan aldrig böjs.

ovanstående gäller också för ljus som går från ett tätt (högre n) till ett mindre tätt (lägre n) material; symmetri av Snells lag visar att samma strålvägar är tillämpliga i motsatt riktning.

total intern reflektion

när en ljusstråle korsar ett gränssnitt till ett medium med högre brytningsindex böjer den sig mot det normala. Omvänt kommer ljus som reser över ett gränssnitt från ett högre brytningsindexmedium till ett lägre brytningsindexmedium att böja sig bort från det normala.

detta har en intressant implikation: vid en viss vinkel, känd som kritisk vinkel, kommer ljus som rör sig från ett högre brytningsindexmedium till ett lägre brytningsindexmedium att brytas vid 90 kg; med andra ord bryts längs gränssnittet.

om ljuset träffar gränssnittet i någon vinkel som är större än denna kritiska vinkel, kommer den inte att passera till det andra mediet alls. Istället kommer allt att reflekteras tillbaka till det första mediet, en process som kallas total intern reflektion.

den kritiska vinkeln kan beräknas från Snells lag, vilket sätter i en vinkel på 90 kg för vinkeln på den brytade strålen 2 kg. Detta ger θ1:

Sedan

θ2 = 90°

Så

sin(θ2) = 1

Sedan

θc = θ1 = arcsin(n2/n1)

Till exempel: med ljuset försöker ta sig ur glas med n1=1.5 till luft (n2 =1), den kritiska vinkeln θc är arcsin(1/1.5), eller är 41,8°.

för varje infallsvinkel som är större än den kritiska vinkeln kommer Snells lag inte att kunna lösas för brytningsvinkeln, eftersom det kommer att visa att den brytade vinkeln har en sinus större än 1, vilket inte är möjligt. I så fall reflekteras allt ljus helt från gränssnittet och följer lagen om reflektion.

hur optisk Fiber fungerar

optiska fibrer baseras helt på principen om total intern reflektion. Detta förklaras i följande bild.

optisk fiber är en lång, tunn sträng av mycket rent glas om diametern på ett människohår. Optiska fibrer är anordnade i buntar som kallas optiska kablar och används för att överföra ljussignaler över långa avstånd.

strukturen hos en optisk Fiber

typiska optiska fibrer består av kärna, beklädnad och buffertbeläggning.

kärnan är den inre delen av fibern, som styr ljuset. Beklädnaden omger kärnan helt. Kärnans brytningsindex är högre än beklädnadens, så ljus i kärnan som träffar gränsen med beklädnaden i en vinkel som är grundare än kritisk vinkel kommer att reflekteras tillbaka i kärnan genom total inre reflektion.

för de vanligaste optiska glasfibertyperna, som inkluderar 1550nm single mode-fibrer och 850nm eller 1300nm multimodfibrer, varierar kärndiametern från 8 ~ 62.5 occurm. Den vanligaste beklädnadsdiametern är 125 kcal.m. Materialet i buffertbeläggning är vanligtvis mjuk eller hård plast, såsom akryl, nylon och med diameter varierar från 250 till 900. Buffertbeläggning ger mekaniskt skydd och böjningsflexibilitet för fibern.

optisk Fiberläge

Vad är Fiberläge?

en optisk fiber styr ljusvågor i distinkta mönster som kallas lägen. Läget beskriver fördelningen av ljusenergi över fibern. De exakta mönstren beror på våglängden för det överförda ljuset och på variationen i brytningsindex som formar kärnan. I huvudsak skapar variationerna i brytningsindex gränsvillkor som formar hur ljusvågor färdas genom fibern, som väggarna i en tunnel påverkar hur ljud ekar inuti.

vi kan ta en titt på stora kärnstegindexfibrer. Ljusstrålar kommer in i fibern i olika vinklar, och strålar i olika vinklar kan alla stabilt resa ner i fiberns längd så länge de träffar kärnbeklädnadsgränssnittet i en vinkel som är större än kritisk vinkel. Dessa strålar är olika lägen.

fibrer som bär mer än ett läge vid en specifik ljusvåglängd kallas multimodfibrer. Vissa fibrer har mycket liten diameter kärna att de kan bära endast ett läge som färdas som en rak linje i mitten av kärnan. Dessa fibrer är single mode fibrer. Detta illustreras i följande bild.

optisk Fiberindexprofil

Indexprofil är brytningsindexfördelningen över kärnan och beklädnaden av en fiber. Vissa optiska fibrer har en stegindexprofil, där kärnan har ett jämnt fördelat index och beklädnaden har ett lägre jämnt fördelat index. Annan optisk fiber har en graderad indexprofil, där brytningsindex varierar gradvis som en funktion av radiellt avstånd från fibercentret. Graderade indexprofiler inkluderar power-law indexprofiler och paraboliska indexprofiler. Följande figur visar några vanliga typer av indexprofiler för single mode och multimode fibrer.

optisk fibers numeriska bländare (NA)

multimode optisk fiber kommer bara att sprida ljus som kommer in i fibern i en viss kon, känd som fiberns acceptanskon. Halvvinkeln på denna kon kallas acceptansvinkeln, exceptionmax. För steg-index multimodfiber bestäms acceptansvinkeln endast av brytningsindex:

där
n är brytningsindexet för mediumljuset färdas innan du går in i fibern
nf är brytningsindexet för fiberkärnan
nc är brytningsindexet för beklädnaden

hur man beräknar antalet lägen i en fiber?

lägen kännetecknas ibland av siffror. Single mode fibrer bär endast lägsta ordningsläge, tilldelat numret 0. Multimodfibrer har också högre ordningslägen. Antalet lägen som kan spridas i en fiber beror på fiberns numeriska bländare (eller acceptansvinkel) såväl som på dess Kärndiameter och ljusets våglängd. För en stegindexmultimodfiber är antalet sådana lägen, Nm, approximerat med

där
D är kärndiametern
sauc är arbetsvåglängden
NA är den numeriska bländaren (eller acceptansvinkeln)

Obs: Denna formel är endast en approximation och fungerar inte för fibrer som bär en fiber med en endast ett fåtal lägen.