În comunicarea optică, ghidul de undă optic necesar pentru transmiterea-la distanță lungă a semnalelor optice este un ghid de undă dielectric cilindric numit fibră optică (sau pur și simplufibra optica). Fibra optică este un ghid de undă dielectric care funcționează la frecvențe optice, ghidând energia luminii să se propage de-a lungul unei direcții paralele cu axa sa.
Structura și clasificarea fibrelor optice
△Principiul călăuzitor al fibrei optice
Structura fibrei optice:
Fibra optică (OF) este o fibră dielectrică transparentă folosită pentru a ghida lumina. O fibră optică practică este compusă din mai multe straturi dielectrice transparente. Structura tipică a unei fibre optice, așa cum se arată în Figura 2-1, poate fi împărțită în trei straturi: miezul cu un indice de refracție mai mare, placarea cu un indice de refracție mai mic și acoperirea exterioară. Structura miezului și a placajului îndeplinește cerințele pentru ghidarea luminii, controlând propagarea undelor luminoase de-a lungul miezului; acoperirea servește în principal o funcție de protecție (din moment ce nu ghidează lumina, poate fi vopsită în diferite culori).
(Figura 2-1 Structura unei fibre optice tipice)
(1) Miezul fibrei Miezul fibrei este situat în centrul fibrei optice (diametru 5~80µm). Compoziția sa este dioxid de siliciu de-puritate ridicată, cu urme de dopanți, cum ar fi dioxid de germaniu și pentoxid de fosfor. Scopul adăugării acestor cantități mici de dopanți este de a crește în mod corespunzător indicele de refracție (n) al miezului fibrei. Pentru fibrele optice de comunicație, diametrul miezului este de 5~10µm (fibră mono-mod) sau 50~80µm (fibră multimodală).
(2) Placare: placarea este situată în jurul miezului fibrei (diametrul său este de aproximativ 125 μm), iar compoziția sa este, de asemenea, dioxid de siliciu de înaltă puritate-conținând o cantitate foarte mică de dopant. Rolul dopantului (cum ar fi trioxidul de bor) este de a reduce în mod corespunzător indicele optic de refracție (n2) al învelișului, făcându-l ușor mai mic decât indicele de refracție al miezului fibrei. Pentru a satisface diferite cerințe de ghidare a luminii, placarea poate fi realizată ca un singur strat sau mai multe straturi.
(3) Stratul cel mai exterior al fibrei optice acoperite este un strat compus din acrilat, cauciuc siliconic și nailon, care crește rezistența mecanică și flexibilitatea fibrei optice. Acoperirea este în general împărțită într-un strat primar și un strat secundar. Acoperirea secundară este un strat suplimentar de material termoplastic aplicat peste acoperirea primară, de aceea este numită și placare. Diametrul exterior al fibrei optice acoperite este în general de aproximativ 1,5 cm.
Grosimea miezului fibrei, distribuția indicelui de refracție a materialului miezului și indicele de refracție al materialului de placare joacă un rol decisiv în caracteristicile de transmisie ale fibrei optice. Materialul de placare este de obicei un material omogen cu un indice de refracție constant. Dacă există mai multe straturi de placare, indicii de refracție ai fiecărui strat de placare sunt diferiți. Indicele de refracție al miezului fibrei poate fi uniform sau poate varia de-a lungul razei miezului r. Prin urmare, funcția de distribuție a indicelui de refracție n(r) de-a lungul razei este utilizată în mod obișnuit pentru a caracteriza modificarea indicelui de refracție a miezului.
Clasificarea fibrelor optice:
Iată traducerea în engleză a textului din imagine:
„În prezent, există multe tipuri de fibre optice, dar metodele lor de clasificare sunt, în general, împărțite în 4 categorii: clasificarea după distribuția indicelui de refracție a fibrei, clasificarea după modul de transmisie, clasificarea după lungimea de undă de lucru și clasificarea în funcție de manta și materialul de placare. fibre.
(1) Clasificare în funcție de distribuția indicelui de refracție a fibrei: poate fi împărțit în Fibră cu indice în pas (SIF) și Fibră cu indice gradat (GIF).
1.Fibră optică cu indice de treaptă: se referă la miezul fibrei și la regiunea de placare unde distribuția indicelui de refracție este uniformă, valoarea este o constantă, iar distribuția indicelui de refracție prezintă o structură stratificată asemănătoare treptei-. Variația indicelui de refracție este asemănătoare treptei-. Distribuția indicelui de refracție a fibrei optice cu indice de treaptă este prezentată în Figura 2-2.
Expresia sa de distribuție a indicelui de refracție este:
n(r) = {n₁(r Mai mic sau egal cu a₁)
{n₂ (a₁< r Mai mic sau egal cu a₂)
Fibra optică cu indice de pas este o formă structurală timpurie a fibrei optice. Mai târziu, în fibra optică multimodală, a fost înlocuită treptat cu fibra optică cu index gradat (deoarece fibra optică cu indice gradat poate reduce foarte mult dispersia modală a culorii pe care o are fibra optică multimodală). Cu toate acestea, este încă relativ obișnuit să-l folosești pentru a transmite lumină pulsată în fibre optice. În prezent, când fibra optică cu un singur-mod înlocuiește treptat fibra optică multimodă ca produs principal al fibrei optice comerciale, structura fibrei optice cu indice în trepte a devenit singura formă structurală a fibrei optice cu un-mod -, aceasta trebuie să fie asemănătoare treptei-.
2.Fibră optică cu indice gradat: se referă la fibra optică a cărei distribuție a indicelui de refracție variază cu raza r. Pe măsură ce distanța față de centru crește și scade treptat, raza devine treptat mai mică. Regula sa de variație este în general conformă cu regula exponențială a puterii. La atingerea miezului fibrei și a interfeței de placare se trunchiază la valorile corespunzătoare placajului; în regiunea de placare, distribuția sa indicelui de refracție este uniformă, adică n₂. Distribuția indicelui de refracție al fibrei optice cu indice gradat este prezentată în Figura 2-3."
Distribuția indicelui său de refracție este exprimată după cum urmează:
„În ecuație, g este numărul de distribuție a indicelui de refracție; reprezintă valori diferite la diferite distribuții ale indicelui de refracție; n₁ este indicele de refracție în centrul miezului fibrei; n₂ este indicele de refracție al învelișului; a₁ este raza miezului; Δ este diferența relativă a indicelui de refracție, Δ{n}{0}} ({1}{0}}} n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
Motivul principal pentru dispersia intermodală redusă a fibrei optice cu indice gradat este că aceasta reduce dispersia modală, extinde distanța de transmisie și crește capacitatea de transmisie.
(2) Clasificare după modul de transmisie:Poate fi împărțit în Fibră multi-Mod (MMF) și Fibră în mod unic (SMF). După cum sugerează și numele, fibra optică multimodală poate transmite mai multe moduri, în timp ce fibra optică cu un singur-mod poate transmite doar moduri fundamentale și moduri de câmp electric. În general, se crede că noua generație de soluții de transmisie ar trebui să fie dominată de fibra optică mono-mod, deoarece poate transmite mult mai departe decât fibra optică multimod. Când pierderea și dispersia mediului de transmisie sunt aceleași, capacitatea de transport a informațiilor după modulația cu un singur-mod este mult mai mare decât cea după modularea multimod.
În anumite condiții de lungimi de undă de lucru, există multe moduri de transmisie în fibra optică, iar aceste moduri de fibre sunt fibre optice multimodale. Indicele de refracție modal al fibrei optice multimodale este aproximativ același cu indicele de refracție al miezului fibrei, iar numărul de moduri este aproximativ proporțional cu pătratul lui V (frecvență normalizată). Prin urmare, se mai numește și fibră optică multimodală gradată. Mai târziu, a devenit treptat fibră optică cu indice gradat.
În anumite condiții de lungimi de undă de lucru, dacă există un singur mod de transmisie în fibra optică, acesta se numește fibră optică mono-mod. Fibra optică cu un singur mod-poate transmite doar modul fundamental (modul axial) și nu există dispersie intermodală atunci când transmite în acest mod. În comparație cu fibra optică multimodală cu un număr mare de moduri de-comandă mai mare, aceasta este foarte utilă pentru sistemele de comunicații cu-viteză mare de fibră optică.
(3) Clasificare în funcție de lungimea de undă de lucru: poate fi împărțită în fibre optice cu lungime de undă scurtă-și fibră optică cu lungime de undă lungă-.
1.Fibră optică cu lungime de undă scurtă: în stadiul inițial de dezvoltare a comunicării cu fibre optice, lungimea de undă folosită în mod obișnuit a fost între 0,6 ~ 0,9 μm. Motivul principal la acea vreme era că sursele de lumină laser cu semiconductor și detectoarele care funcționau în această bandă de lungime de undă erau relativ mature, iar fibra optică cu lungime de undă scurtă-a fost produsul principal. În prezent, este rar folosit.
2.Fibră optică cu lungime de undă lungă: pe măsură ce cercetările continuă, la intrarea în benzile de lungimi de undă de 1,31 μm și 1,55 μm, aceste două benzi de lungime de undă au prezentat caracteristici de pierdere scăzută, dispersie zero și pierdere de încovoiere minimă. Prin urmare, munca de cercetare s-a deplasat treptat către aceste două benzi de lungimi de undă și au apărut fibre optice cu performanțe mai bune. Practicile au demonstrat că la lungimi de undă de 1,0 ~ 2,0 μm, fibrele optice au pierderi mai mici în comparație cu fibrele optice cu lungime de undă scurtă.
(4)Fibrele optice cu lungime de-lungime de undă lungă sunt potrivite în special pentru comunicații cu fibre optice la-distanțe lungi, de mare-capacitate, datorită avantajelor lor, cum ar fi atenuarea scăzută și lățimea de bandă largă.
1.Fibră optică convențională: se referă la fibra optică al cărei miez de fibră este dopat cu germaniu, placarea și distribuția indicelui de refracție a miezului sunt combinate într-un anumit raport. Deoarece acest tip de fibră optică are caracteristici bune și este relativ ușor de produs, a trecut de câteva generații de îmbunătățiri.
Acest lucru se datorează coeficientului de expansiune ridicat al materialului cu germaniu ca materie primă. La temperaturi scăzute, se va micșora și crăpa. Birefringența la stres va apărea, adăugând asimetrie fibrei optice.
2.Fibră optică cu dispersie-deplasată: se referă la fibra optică care suferă un tratament termic după dopare cu germaniu, deplasând punctul de dispersie zero-într-o lungime de undă, nu de trei sau trei ori lungimea de undă.
Procesul de fabricație al acestui tip de fibră optică este relativ complicat. Dintre acestea, diametrul miezului trebuie să se potrivească cu gradul de dopaj pentru a optimiza fibra optică. Prin urmare, nu a fost încă folosit pe scară largă”.
