Волоконна оптика: розуміння основ

Ніщо так не змінило світ комунікацій, як розробка та впровадження оптичного волокна. Ця стаття містить основні принципи, необхідні для роботи з цією технологією.
 

Інженерно-технічний персонал

Оптичні волокна виготовляються зі скла або пластику. Діаметр більшості з них приблизно дорівнює людській волосині, а завдовжки вони можуть бути багато миль. Світло передається вздовж центру волокна від одного кінця до іншого, і може бути накладений сигнал. Волоконно-оптичні системи перевершують металеві провідники в багатьох сферах застосування. Їх найбільша перевага - пропускна здатність. Завдяки довжині хвилі світла можна передати сигнал, який містить значно більше інформації, ніж це можливо за допомогою металевого провідника, навіть коаксіального. Серед інших переваг:

• Електрична ізоляція - волоконна оптика не потребує заземлення. І передавач, і приймач ізольовані один від одного і, отже, не мають проблем із контуром заземлення. Крім того, немає небезпеки іскор або ураження електричним струмом.

• Відсутність електромагнітних перешкод – волоконна оптика захищена від електромагнітних перешкод (EMI), і сама по собі не випромінює випромінювання, яке б спричиняло інші перешкоди.

• Низька втрата потужності - це дозволяє довші кабелі та менше повторювачів підсилювачів.

• Легший і менший - волокно важить менше і потребує менше місця, ніж металеві провідники з еквівалентною пропускною здатністю сигналу.

Мідний дріт приблизно в 13 разів важчий. Оптоволокно також легше встановлювати і вимагає менше простору для каналів.

Додатки

Деякі з основних сфер застосування оптичних волокон:

• Зв’язок. Передача голосу, даних і відео є найпоширенішим використанням волоконної оптики, зокрема:

– Телекомунікації
– Локальні мережі (LAN)
– Промислові системи управління
– Авіаційні системи
– Системи військового командування, управління та зв’язку

• Зондування – волоконну оптику можна використовувати для доставки світла від віддаленого джерела до детектора для отримання інформації про тиск, температуру або спектр. Волокно також можна використовувати безпосередньо як перетворювач для вимірювання ряду впливів навколишнього середовища, таких як деформація, тиск, електричний опір і pH. Зміни навколишнього середовища впливають на інтенсивність світла, фазу та/або поляризацію таким чином, що можна виявити на іншому кінці волокна.

• Потужність. Оптичні волокна можуть забезпечити надзвичайно високий рівень потужності для таких завдань, як лазерне різання, зварювання, маркування та свердління.

• Освітлення. Пучок волокон, зібраних разом із джерелом світла на одному кінці, може освітлювати важкодоступні місця, наприклад, усередині людського тіла, у поєднанні з ендоскопом. Також їх можна використовувати як вивіску або просто як декоративне підсвічування.

 

малюнок 1. Оптичне волокно складається з серцевини, оболонки та покриття.

 

Будівництво

Оптичне волокно складається з трьох основних концентричних елементів: серцевини, оболонки та зовнішнього покриття (рис. 1).

Ядро зазвичай виготовляється зі скла або пластику, хоча іноді використовуються інші матеріали, залежно від бажаного спектру пропускання.

Серцевина – це світлопропускаюча частина волокна. Оболонка зазвичай виготовляється з того ж матеріалу, що й сердечник, але з дещо нижчим показником заломлення (зазвичай приблизно на 1% нижче). Ця різниця індексів призводить до повного внутрішнього відбиття на межі індексу вздовж довжини волокна, так що світло пропускається вниз по волокну і не виходить через бічні стінки.

 

 

малюнок 2.Промінь світла, що переходить від одного матеріалу до іншого з іншим показником заломлення, згинається або заломлюється на межі розділу.

Покриття зазвичай складається з одного або кількох шарів пластикового матеріалу для захисту волокна від зовнішнього середовища. Іноді для додаткового фізичного захисту до покриття додають металеві оболонки.

Оптичні волокна зазвичай визначаються за їхнім розміром, заданим як зовнішній діаметр серцевини, оболонки та покриття. Наприклад, 62,5/125/250 стосуватиметься волокна з серцевиною діаметром 62.5-мкм, оболонкою з діаметром 125-мкм і 0.{{8} зовнішнє покриття діаметром } мм.

 

 

У Photonics Marketpla є 81 постачальник волоконно-оптичних волокон

 

Принципи

Оптичні матеріали характеризуються своїм показником заломлення, який називається n. Показник заломлення матеріалу - це відношення швидкості світла у вакуумі до швидкості світла в матеріалі. Коли промінь світла переходить від одного матеріалу до іншого з іншим показником заломлення, промінь згинається (або заломлюється) на межі розділу (рис. 2).

Заломлення описується законом Снелла:

деn_Iіn_R— показники заломлення матеріалів, через які заломлюється промінь іIіR– кути падіння і заломлення променя. Якщо кут падіння перевищує критичний кут для межі розділу (зазвичай близько 82 градусів для оптичних волокон), світло відбивається назад у падаюче середовище без втрат за допомогою процесу, відомого як повне внутрішнє відбиття (рис. 3).

малюнок 3.Повне внутрішнє відбиття дозволяє світлу залишатися всередині серцевини волокна.

 

Перегляньте відео визначення повного внутрішнього відбивання.

Режими

Коли світло направляється вниз по волокну (як мікрохвилі направляються вниз по хвилеводу), фазові зрушення відбуваються на кожній межі відбиття. Існує скінченна дискретна кількість шляхів вниз по оптичному волокну (відомих як моди), які створюють конструктивні (в фазі і, отже, адитивні) фазові зсуви, які підсилюють передачу. Оскільки кожна мода виникає під різним кутом до осі волокна, коли промінь рухається по довжині, кожна з них проходить різну довжину через волокно від входу до виходу. Тільки одна мода, мода нульового порядку, проходить по довжині волокна без відбиття від бічних стінок. Це волокно називається одномодовим. Фактична кількість мод, які можуть поширюватися в даному оптичному волокні, визначається довжиною хвилі світла, а також діаметром і показником заломлення серцевини волокна.
 

Існує кілька причин загасання в оптичному волокні:

 

• Релеївське розсіювання – Мікроскопічні варіації показника заломлення матеріалу серцевини можуть спричинити значне розсіювання променя, що призведе до значних втрат оптичної потужності. Релеївське розсіювання залежить від довжини хвилі і є менш значущим на більших довжинах хвилі. Це найважливіший механізм втрат у сучасних оптичних волокнах, на який зазвичай припадає до 90% будь-яких втрат, які виникають.

 

• Поглинання – сучасні методи виробництва зменшили поглинання, викликане забрудненнями (зокрема водою у волокні), до дуже низького рівня. У смузі пропускання волокна втрати на поглинання незначні.

• Вигин - виробничі методи можуть призвести до дрібних вигинів у геометрії волокна. Іноді ці вигини будуть достатньо великими, щоб спричинити потрапляння світла всередині сердечника на межу розділу серцевина/оболонка під кутом, меншим ніж критичний, так що світло втрачається в матеріалі оболонки. Це також може статися, коли волокно зігнуто в невеликому радіусі (менше, скажімо, кількох сантиметрів). Чутливість до вигину зазвичай виражається в термінах втрат дБ/км для певного радіуса вигину та довжини хвилі.

 

 

малюнок 4.Числова апертура залежить від кута, під яким промені входять у волокно, і від діаметра серцевини волокна.

 

Типи волокон

В основному існує три типи оптичного волокна: одномодове, багатомодове з градуованим індексом і багатомодове ступінчасте волокно. Вони характеризуються тим, як світло проходить по волокну, і залежать як від довжини хвилі світла, так і від механічної геометрії волокна. Приклади того, як вони поширюють світло, показані на малюнку 5.

 

 

Наша компанія спеціалізується на виробництві пластикових оптичних волокон / кабелів і всіх видів волоконно-оптичних патч-кордів, якщо ви зацікавлені, будь ласка, не соромтеся зв'язатися зі мною.