Фиброоптика: Разбиране на основите

Нищо не е променило света на комуникациите толкова, колкото разработването и внедряването на оптични влакна. Тази статия предоставя основните принципи, необходими за работа с тази технология.
 

Инженерен и маркетинг персонал

Оптичните влакна са направени от стъкло или пластмаса. Повечето са приблизително с диаметъра на човешки косъм и могат да бъдат дълги много мили. Светлината се предава по протежение на центъра на влакното от единия край до другия и може да бъде наложен сигнал. Оптичните системи превъзхождат металните проводници в много приложения. Най-голямото им предимство е честотната лента. Поради дължината на вълната на светлината е възможно да се предаде сигнал, който съдържа значително повече информация, отколкото е възможно с метален проводник - дори коаксиален проводник. Други предимства включват:

• Електрическа изолация - Оптичните влакна не се нуждаят от заземителна връзка. И предавателят, и приемникът са изолирани един от друг и следователно нямат проблеми със заземяването. Освен това няма опасност от искри или токов удар.

• Свобода от EMI - Оптичните влакна са имунизирани срещу електромагнитни смущения (EMI) и сами по себе си не излъчват радиация, която да причини други смущения.

• Ниска загуба на мощност - Това позволява по-дълги кабели и по-малко повторителни усилватели.

• По-лек и по-малък – влакното тежи по-малко и се нуждае от по-малко пространство от металните проводници с еквивалентен капацитет за пренасяне на сигнал.

Медната тел е около 13 пъти по-тежка. Освен това влакната са по-лесни за инсталиране и изискват по-малко пространство в канала.

Приложения

Някои от основните области на приложение на оптичните влакна са:

• Комуникации - предаването на глас, данни и видео са най-честите употреби на оптични влакна и те включват:

– Телекомуникации
– Локални мрежи (LAN)
– Индустриални системи за управление
– Авиационни системи
– Системи за военно командване, контрол и комуникации

• Сензор – Оптичните влакна могат да се използват за доставяне на светлина от отдалечен източник до детектор за получаване на информация за налягане, температура или спектрална информация. Влакното също може да се използва директно като преобразувател за измерване на редица ефекти от околната среда, като напрежение, налягане, електрическо съпротивление и pH. Промените в околната среда влияят на интензитета, фазата и/или поляризацията на светлината по начини, които могат да бъдат открити в другия край на влакното.

• Захранване - Оптичните влакна могат да осигурят забележително високи нива на мощност за задачи като лазерно рязане, заваряване, маркиране и пробиване.

• Осветление - Сноп от влакна, събрани заедно със светлинен източник в единия край, може да осветява зони, които са трудни за достигане - например вътре в човешкото тяло, във връзка с ендоскоп. Също така те могат да се използват като рекламна табела или просто като декоративно осветление.

 

Фигура 1. Оптичното влакно се състои от сърцевина, обвивка и покритие.

 

Строителство

Оптичното влакно се състои от три основни концентрични елемента: сърцевина, обвивка и външно покритие (Фигура 1).

Ядрото обикновено е направено от стъкло или пластмаса, въпреки че понякога се използват и други материали, в зависимост от желания спектър на предаване.

Сърцевината е светлопропускливата част на влакното. Обвивката обикновено е направена от същия материал като ядрото, но с малко по-нисък индекс на пречупване (обикновено около 1% по-нисък). Тази разлика в индекса причинява пълно вътрешно отражение на границата на индекса по дължината на влакното, така че светлината да се предава надолу по влакното и да не излиза през страничните стени.

 

 

Фигура 2.Лъч светлина, преминаващ от един материал към друг с различен индекс на пречупване, се огъва или пречупва на границата.

Покритието обикновено се състои от един или повече слоя от пластмасов материал за защита на влакното от физическата среда. Понякога към покритието се добавят метални обвивки за допълнителна физическа защита.

Оптичните влакна обикновено се определят според техния размер, даден като външния диаметър на сърцевината, обвивката и покритието. Например 62,5/125/250 ще се отнася за влакно със сърцевина с диаметър 62.5-µm, обвивка с диаметър 125-µm и 0.{{8} }мм диаметър външно покритие.

 

 

Има 81 доставчици на оптични влакна в Photonics Marketpla

 

Принципи

Оптичните материали се характеризират с техния индекс на пречупване, означен като n. Индексът на пречупване на даден материал е съотношението на скоростта на светлината във вакуум към скоростта на светлината в материала. Когато лъч светлина преминава от един материал към друг с различен индекс на пречупване, лъчът се огъва (или пречупва) на границата (Фигура 2).

Пречупването се описва от закона на Снел:

къдетоn_Iиn_Rса индексите на пречупване на материалите, през които се пречупва лъчът иIиRса ъглите на падане и пречупване на лъча. Ако ъгълът на падане е по-голям от критичния ъгъл за интерфейса (обикновено около 82 градуса за оптични влакна), светлината се отразява обратно в падащата среда без загуба чрез процес, известен като пълно вътрешно отражение (Фигура 3).

Фигура 3.Пълното вътрешно отражение позволява на светлината да остане вътре в сърцевината на влакното.

 

Гледайте видео дефиниция на пълното вътрешно отражение.

Режими

Когато светлината се насочва надолу по влакно (както микровълните се насочват по вълновод), фазови измествания възникват на всяка отразяваща граница. Има краен дискретен брой пътища надолу по оптичното влакно (известни като модове), които произвеждат конструктивни (във фаза и следователно допълнителни) фазови измествания, които подсилват предаването. Тъй като всеки режим се появява под различен ъгъл спрямо оста на влакното, докато лъчът се движи по дължината, всеки преминава на различна дължина през влакното от входа до изхода. Само един режим, режимът от нулев порядък, преминава по дължината на влакното без отражения от страничните стени. Това е известно като едномодово влакно. Действителният брой моди, които могат да се разпространяват в дадено оптично влакно, се определя от дължината на вълната на светлината и диаметъра и индекса на пречупване на сърцевината на влакното.
 

Има няколко причини за затихване в оптично влакно:

 

• Релеево разсейване – Микроскопичните вариации в индекса на пречупване на материала на сърцевината могат да причинят значително разсейване в лъча, което води до значителни загуби на оптична мощност. Релеевото разсейване зависи от дължината на вълната и е по-малко значимо при по-дълги дължини на вълната. Това е най-важният механизъм на загуба в съвременните оптични влакна, който обикновено представлява до 90% от всяка загуба, която се преживява.

 

• Абсорбция - Настоящите методи на производство са намалили абсорбцията, причинена от примеси (най-вече вода във влакното) до много ниски нива. В рамките на обхвата на предаване на влакното загубите от поглъщане са незначителни.

• Огъване - Производствените методи могат да доведат до миниатюрни огъвания в геометрията на влакното. Понякога тези завои ще бъдат достатъчно големи, за да накарат светлината в сърцевината да удари интерфейса сърцевина/обвивка под критичния ъгъл, така че светлината да се загуби в материала на обвивката. Това също може да се случи, когато влакното е огънато в малък радиус (по-малко от, да речем, няколко сантиметра). Чувствителността на огъване обикновено се изразява като загуба на dB/km за определен радиус на огъване и дължина на вълната.

 

 

Фигура 4.Числовата апертура зависи от ъгъла, под който лъчите влизат във влакното и от диаметъра на сърцевината на влакното.

 

Видове влакна

Основно има три вида оптични влакна: единичен режим, многомодов градуиран индекс и многомодов стъпков индекс. Те се характеризират с начина, по който светлината преминава надолу по влакното и зависят както от дължината на вълната на светлината, така и от механичната геометрия на влакното. Примери за това как те разпространяват светлина са показани на фигура 5.

 

 

Нашата компания е специализирана в производството на пластмасови оптични влакна/кабели и всички видове оптични кабели, ако проявявате интерес, не се колебайте да се свържете с мен.