Kuituoptiikkaa ja kuituoptisia kaapeleita käytetään valon energian ja tiedon lähettämiseen lyhyillä tai pitkillä etäisyyksillä. Viime vuosikymmeninä kuituoptiikka on yhdistetty puolijohdelaseridiodien ja optisten vastaanottimien kanssa kuituoptisten viestintäjärjestelmien nopean kasvun mahdollistamiseksi. Optinen kuitu on pyöreä poikkileikkaus dielektrinen aalto Optiset kuidut on yleensä valmistettu piisidioksidista lisäaineilla, kuten GeO2, mikä muuttaa piisidioksidin taitekerrointa. Kuituoptiset kaapelit kapseloivat kuidun suojakerrokseen, joka helpottaa kuitua käsittelemään, vähentää vierekkäisten kuitujen välillä ja estää kuidun vaurioita, kun sitä painetaan karkeita pintoja vastaan. Valonsiirron etujen lisäksi valon sulkeminen pienelle alueelle kuidun ytimessä on helpottanut kuitulaserien ja fotonisten kidekuitujen kehitystä.
Kuituoptiikan perusteet
Kuva 1 Kaavio kriittisestä kulmasta ja TIR: stä (vasen). Kriittinen kulma suurempi kulmassa olevassa ytimen verhoilturajapinnassa säteilytetty valo on loukussa kuidun ytimen sisällä (oikea). Vastaanottokulman (), NA: n ja taitekerroksen välinen suhde.
Kuvio 1 näyttää tulevan valon suunnan, kun se kohtaa kevyen häpeällisen väliaineen rajapinnan (ts. N2
Optinen kuitu on pyöreä dielektrinen aaltojohto, jonka ydin on korkeampi taitekerroin kuin verhous. Kuten kuvassa 1 esitetään, jos TIR: n kulma -olosuhteet täyttyvät, valo rajoittuu ytimeen. Optisen kuidun NA määritellään TIR -tapahtuvan valon enimmäiskulman () suurimman esiintymiskulman siniksi .NA on laadullinen mitta optisen kuidun kyvystä keskittää valo, ja osoittaa myös, kuinka helppoa on yhdistää valo kuituun. Optisen kuidun geometria ja koostumus määräävät erillisten sähkömagneettisten kenttien tai kuitumoodien joukon, jotka voivat levittää kuidun läpi. Todit jakautuvat kahteen laajaan luokkaan: säteilevät ja suoritetut tilat. Kuidun NA: n määritetyn kulman ulkopuolelle päästövalo herättää säteilytiloja.
Nämä tilat kuljettavat energiaa ytimestä ja hajottavat sen nopeasti. Kuidun NA: n sisällä lähetetty valo tuottaa tyypillisesti suoritetut moodit, jotka rajoittuvat ytimeen. Nämä moodit etenevät energiaa kuitua pitkin, välittävät tietoa ja tehoa. Jos optisen kuidun ydin on riittävän suuri, se voi tukea monia johtamismuotoja samanaikaisesti, ts. Multimode -etenemistä. Kun valo tapahtuu optiseen kuituun, moodit ovat innostuneita vaihteleviin asteisiin riippuen tapahtumaolosuhteista (esim. Tulokartiokulma, pistekoko, aksiaalikeskus) ja voi osoittaa monenlaisia alueellisia jakautumisia. Aivan kuten laserin poikittaismuodoissa, optisen kuidun pienimpien tilausten moodilla on lähes Gaussin tilajakauma, ja siksi sillä on monia samoja etuja. Tästä syystä sen odotetaan usein ylläpitävän yhden moodin lähetystä optisissa kuiduissa. Kuidun normalisoitu taajuusparametri (tunnetaan myös nimellä Vumber) on erittäin hyödyllinen tekninen parametri, joka ilmaisee moodien lukumäärän tietyllä aallonpituudella kuidun NA: n ja ytimen säteen perusteella.
Kuvio 2 Tyypillinen spektrin vaimennus kvartsikuidussa (vasen). Kun valo kulkee kuitua pitkin, dispersio aiheuttaa yksittäisten valon pulssien laajenemisen aika -alueella (oikeassa yläkulmassa). Esimerkki useista pulsseista, jotka edustavat tietobittien virtausta, jotka muuttuvat tunnistamattomiksi leviämisen vuoksi leviämisen jälkeen (alhaalta oikea).
Optisen kuidun läpi leviävä optinen teho hajoaa eksponentiaalisesti kuidun pituudella absorptio- ja sirontahäviöiden vuoksi (katso kuva 2). Vaimennus on tärkein tekijä kuituoptisessa viestintäjärjestelmässä ja vaikuttaa suoraan vastaanottavan signaalin tasoon. NIR- ja VIS -alueilla puhtaan piidioksidin pieni absorptiohäviö johtuu absorptionauhojen hänestä FIR: ssä ja UV: ssä. Epäpuhtaudet, erityisesti vesi hydroksidi -ionien muodossa, ovat hallitsevampi imeytymisen lähde kaupallisissa optisissa kuiduissa. Viimeaikaiset parannukset kuidun puhtaudessa ovat vähentäneet vaimennushäviötä 0. 1 dB/km. Sirontamenetys voi myös johtaa vaimennukseen pienten taitekerroksen muodossa kuidussa, kun kuitu on kovetettu ja ytimen halkaisija ja geometria ovat epäsäännöllisiä.
Optisen kuidun kaistanleveys määrittää sen tiedonsiirtoasteen. Mekanismia, joka rajoittaa optisen kuidun kaistanleveyttä, kutsutaan dispersioksi. Dispersio on valon pulssien laajentaminen, joka tapahtuu niiden leviäessä kuitua pitkin. Tuloksena on, että yksi pulssi ulottuu toiseen ja tiedoista tulee erottamaton (katso kuva 2).
Dispersio rajoittaa kaistanleveyttä ja etäisyyttä, minkä tiedon välityksellä voidaan siirtää. Dispersiotyyppiä on kahta päätyyppiä: modaalinen sisäinen dispersio ja modaalinen dispersio. Sisäistä dispersiota on kahta erityyppistä: kromaattinen dispersio ja polarisaatiotilan dispersio. Kromaattinen dispersio on yksinkertaisesti seurausta aallonpituudella muuttuvan materiaalin taitekerroimesta. Polarisaatiotilan dispersio johtuu ortogonaalisista polarisaatiomoodista, jotka kulkevat kuidun eri nopeuksilla kahtaistumisen seurauksena. Intermodaalinen dispersio tapahtuu, koska erilaiset etenemismuodot kulkevat eri nopeuksilla. Siksi intermodaalinen dispersio koskee vain monimuotoisia kuituja.
Kuvio 3 Polarisaation hallinta optisessa kuidussa, joka laukaistaan puristamalla kuitu eri suuntiin.
Yhden moodin kuidut tukitilat, jotka koostuvat kahdesta ortogonaalisesti polarisoidusta tilasta. Tämä on seurausta kuidun ytimen poikkileikkauksen epäsymmetriasta. Tyypillisesti ulkoiset rasitukset ovat satunnaisia, ja tuloksena oleva indusoitu kahtaistaistuvuus auttaa häiritsemään tai satunnaistaa polarisaatiotiloja. Erikoiskuidut, joita kutsutaan biasseroiviksi kuiduiksi, tuottavat jatkuvan kahtaistumiskuvion niiden pituudella. Tämä saavutetaan optimoimalla kuidun geometria ja materiaalit, jotka aiheuttavat suuren määrän stressiä yhteen suuntaan. Tämä suuri indusoitu kahtaistaistuminen hallitsee satunnaiseen kahtaistavoitetta verrattuna, mikä mahdollistaa polarisaatiotilan ylläpidon kuidun leviämisen aikana. Polarisaatiotilan hallitseminen optisessa kuidussa on analoginen vapaan tilan ohjauksen kanssa soveltamalla aaltolevyä, joka aiheuttaa kahden ortogonaalisen polarisaatiotilan vaiheen muutoksen. Tämä saavutetaan kuidun stressin aiheuttamalla kahtaistavoiteilla, mikä aiheuttaa viivettä, mikä johtaa aaltojohtopohjaiseen aaltolevyyn. Samanlainen polarisaatiolaite, mukaan lukien kuidun ympärillä pyörivä kuidun puristus, on esitetty kuviossa 3. Paineen kohdistaminen optiseen kuituun tuottaa lineaarista kahtaistaistumista, joka muodostaa tehokkaasti kuituoptisen aaltojohdon viiveellä, joka vaihtelee paineen mukaan.
