U optičkoj komunikaciji, optički valovod potreban za-prijenos optičkih signala na velike udaljenosti je cilindrični dielektrični valovod koji se naziva optičko vlakno (ili jednostavnooptičko vlakno). Optičko vlakno je dielektrični valovod koji radi na optičkim frekvencijama, vodeći svjetlosnu energiju da se širi duž smjera paralelnog s njegovom osi.
Građa i podjela optičkih vlakana
△Vodeći princip optičkih vlakana
Struktura optičkog vlakna:
Optičko vlakno (OF) je prozirno dielektrično vlakno koje se koristi za vođenje svjetlosti. Praktično optičko vlakno sastoji se od više prozirnih dielektričnih slojeva. Tipična struktura optičkog vlakna, kao što je prikazano na slici 2-1, može se podijeliti u tri sloja: jezgru s višim indeksom loma, omotač s nižim indeksom loma i vanjsku prevlaku. Struktura jezgre i obloge ispunjava zahtjeve za vođenje svjetlosti, kontrolirajući širenje svjetlosnih valova duž jezgre; premaz uglavnom ima zaštitnu funkciju (budući da ne vodi svjetlost, može se bojati u raznim bojama).
(Slika 2-1 Struktura tipičnog optičkog vlakna)
(1) Jezgra vlakna Jezgra vlakna nalazi se u središtu optičkog vlakna (promjer 5~80µm). Njegov sastav je silicijev dioksid visoke -čistoće, s dodatkom dodataka u tragovima kao što su germanijev dioksid i fosforov pentoksid. Svrha dodavanja ovih malih količina dodataka je odgovarajuće povećanje indeksa loma (n) jezgre vlakna. Za komunikacijska optička vlakna, promjer jezgre je 5~10µm (jedno-modno vlakno) ili 50~80µm (višemodno vlakno).
(2) Omotač: omotač se nalazi oko jezgre vlakna (promjer mu je približno 125 μm), a njegov sastav je također visoko{2}}silicijev dioksid koji sadrži vrlo malu količinu dopanta. Uloga dopanta (kao što je bor trioksid) je odgovarajuće smanjiti optički indeks loma (n2) obloge, čineći ga nešto nižim od indeksa loma jezgre vlakna. Kako bi se zadovoljili različiti zahtjevi za vođenje svjetla, obloga se može izraditi kao jednoslojna ili višeslojna.
(3) Krajnji vanjski sloj presvučenog optičkog vlakna je premaz sastavljen od akrilata, silikonske gume i najlona, koji povećava mehaničku čvrstoću i fleksibilnost optičkog vlakna. Premaz se općenito dijeli na primarni premaz i sekundarni premaz. Sekundarna prevlaka je dodatni sloj termoplastičnog materijala koji se nanosi preko primarne prevlake, stoga se naziva i obloga. Vanjski promjer presvučenog optičkog vlakna općenito je oko 1,5 cm.
Debljina jezgre vlakna, raspodjela indeksa loma materijala jezgre i indeks loma materijala omotača igraju odlučujuću ulogu u karakteristikama prijenosa optičkog vlakna. Materijal za oblaganje obično je homogen materijal s konstantnim indeksom loma. Ako postoji više slojeva obloge, indeksi loma svakog sloja obloge su različiti. Indeks loma jezgre vlakna može biti ujednačen ili varirati duž polumjera jezgre r. Stoga se funkcija distribucije indeksa loma n(r) duž polumjera obično koristi za karakterizaciju promjene u indeksu loma jezgre.
Klasifikacija optičkih vlakana:
Evo engleskog prijevoda teksta sa slike:
"Trenutačno postoje mnoge vrste optičkih vlakana, ali njihove metode klasifikacije općenito se dijele u 4 kategorije: klasifikacija prema distribuciji indeksa loma vlakana, klasifikacija prema načinu prijenosa, klasifikacija prema radnoj valnoj duljini i klasifikacija prema materijalu omotača i obloge. Osim toga, prema sastavu komponenti optičkih vlakana, uz najčešće korištena silika optička vlakna, postoje i fluoridna optička vlakna i plastična optička vlakna.
(1) Klasifikacija prema distribuciji indeksa loma vlakna: može se podijeliti na vlakno s indeksom koraka (SIF) i vlakno s stupnjevanim indeksom (GIF).
1. Optičko vlakno s indeksom loma: odnosi se na jezgru vlakna i područje omotača gdje je distribucija indeksa loma jednolika, vrijednost je konstantna, a distribucija indeksa loma predstavlja stepenastu -slojevitu strukturu. Varijacija indeksa loma je stepenasta-. Distribucija indeksa loma optičkog vlakna s indeksom loma prikazana je na slici 2-2.
Njegov izraz distribucije indeksa loma je:
n(r) = {n₁(r Manje od ili jednako a₁)
{n₂ (a₁< r Manje od ili jednako a₂)
Step index optičko vlakno je rani strukturni oblik optičkog vlakna. Kasnije je u višemodnom optičkom vlaknu postupno zamijenjeno optičkim vlaknom s stupnjevanim indeksom (jer optičko vlakno s stupnjevanim indeksom može uvelike smanjiti modalnu disperziju boja koju ima višemodno optičko vlakno). Međutim, još uvijek je relativno uobičajeno koristiti ga za prijenos pulsirajućeg svjetla u optičkim vlaknima. Trenutno, kada jedno-modno optičko vlakno postupno zamjenjuje višemodno optičko vlakno kao glavni proizvod komercijalnog optičkog vlakna, struktura optičkog vlakna s indeksom koraka postala je jedini strukturni oblik jedno-modnog optičkog vlakna - mora biti stepena-slična.
2. Optičko vlakno s stupnjevanim indeksom: odnosi se na optičko vlakno čija distribucija indeksa loma varira s radijusom r. Kako se udaljenost od središta povećava i postupno smanjuje, polumjer se postupno smanjuje. Njegovo pravilo varijacije općenito je u skladu s pravilom eksponencijalne snage. Kada se dođe do sučelja jezgre vlakna i obloge, ona se skraćuje na vrijednosti koje odgovaraju ovojnici; u području obloge njegova je raspodjela indeksa loma jednolika, to jest n₂. Distribucija indeksa loma optičkog vlakna s stupnjevanim indeksom prikazana je na slici 2-3."
Njegova raspodjela indeksa loma izražena je na sljedeći način:
"U jednadžbi, g je broj distribucije indeksa loma; predstavlja različite vrijednosti pri različitim distribucijama indeksa loma; n₁ je indeks loma u središtu jezgre vlakna; n₂ je indeks loma ovojnice; a₁ je radijus jezgre; Δ je relativna razlika indeksa loma, Δ=(n₁² - n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n1.
Glavni razlog za smanjenu intermodalnu disperziju optičkog vlakna s stupnjevanim indeksom je taj što smanjuje modalnu disperziju, produljuje udaljenost prijenosa i povećava kapacitet prijenosa.
(2) Razvrstavanje prema načinu prijenosa:Može se podijeliti na više{0}}modna vlakna (MMF) i jednomodna vlakna (SMF). Kao što ime sugerira, višemodno optičko vlakno može prenositi više modova, dok jedno-modno optičko vlakno može prenositi samo osnovni mod i modove električnog polja. Općenito se vjeruje da bi novom generacijom prijenosnih rješenja trebalo dominirati jedno-modno optičko vlakno jer ono može prenositi mnogo dalje od višemodnog optičkog vlakna. Kada su gubitak i disperzija prijenosnog medija jednaki, kapacitet prijenosa informacija nakon jedno-modulacije puno je veći nego nakon višemodne modulacije.
Pod određenim uvjetima radne valne duljine, postoji mnogo načina prijenosa u optičkim vlaknima, a ti načini vlakana su višemodna optička vlakna. Modalni indeks loma višemodnog optičkog vlakna približno je jednak indeksu loma jezgre vlakna, a broj modova približno je proporcionalan kvadratu V (normalizirana frekvencija). Stoga se naziva i gradirano višemodno optičko vlakno. Kasnije je postupno postalo gradirano indeksno optičko vlakno.
Pod određenim uvjetima radne valne duljine, ako postoji samo jedan način prijenosa u optičkom vlaknu, to se naziva jedno-modno optičko vlakno. Jedno-modno optičko vlakno može prenositi samo osnovni način (aksijalni način) i nema intermodalne disperzije pri prijenosu u ovom načinu. U usporedbi s višemodnim optičkim vlaknima s velikim brojem modova višeg-reda, ovo je vrlo korisno za-komunikacijske sustave optičkih vlakana velike brzine.
(3) Klasifikacija prema radnoj valnoj duljini: Može se podijeliti na optičko vlakno kratke-valne duljine i optičko vlakno duge-valne duljine.
1. Optičko vlakno kratke{1}}valne duljine: U početnoj fazi razvoja komunikacija optičkim vlaknom, uobičajena valna duljina bila je između 0,6 ~ 0,9 μm. Glavni razlog u to vrijeme bio je taj što su poluvodički laserski izvori svjetla i detektori koji rade u ovom pojasu valne duljine bili relativno zreli, a optičko vlakno kratke-valne duljine bilo je glavni proizvod. Trenutno se rijetko koristi.
2.Optičko vlakno dugih{1}}valnih duljina: Kako se istraživački rad nastavlja, pri ulasku u pojaseve valnih duljina od 1,31 μm i 1,55 μm, ova dva pojasa valnih duljina pokazala su karakteristike niskog gubitka, nulte disperzije i minimalnog gubitka pri savijanju. Stoga se istraživački rad postupno pomaknuo prema ova dva pojasa valnih duljina i pojavila su se optička vlakna s boljim performansama. Praksa je dokazala da na valnim duljinama od 1,0 ~ 2,0 μm optička vlakna imaju manje gubitke u usporedbi s optičkim vlaknima kratkih{8}}valnih duljina.
(4)Optička vlakna dugih{1}}valnih duljina posebno su prikladna za-komunikaciju optičkim vlaknima velikog-kapaciteta na velikim-udaljenostima zbog svojih prednosti kao što su mala atenuacija i široka propusnost.
1.Konvencionalno optičko vlakno: odnosi se na optičko vlakno čija je jezgra vlakna dopirana germanijem, obloga i raspodjela indeksa loma jezgre kombinirani su u određenom omjeru. Budući da ova vrsta optičkog vlakna ima dobre karakteristike i relativno se lako proizvodi, prošlo je nekoliko generacija poboljšanja.
To je zbog visokog koeficijenta rastezanja materijala s germanijem kao sirovinom. Na niskim temperaturama će se skupiti i popucati. Doći će do dvoloma naprezanja, dodajući asimetriju optičkom vlaknu.
2.Optičko vlakno s-pomakom disperzije: Odnosi se na optičko vlakno koje je podvrgnuto toplinskoj obradi nakon dopiranja germanijem, pomičući nultu{2}}točku disperzije u jednu valnu duljinu, a ne tri ili tri puta valne duljine.
Proces proizvodnje ove vrste optičkih vlakana relativno je kompliciran. Među njima, promjer jezgre mora odgovarati stupnju dopinga kako bi se optimiziralo optičko vlakno. Stoga još nije u širokoj upotrebi."
