U optičkoj komunikaciji, optički talasovod potreban za prijenos optičkih signala-na velike udaljenosti je cilindrični dielektrični valovod koji se naziva optičko vlakno (ili jednostavnooptičko vlakno). Optičko vlakno je dielektrični talasovod koji radi na optičkim frekvencijama, usmjeravajući svjetlosnu energiju da se širi duž smjera paralelnog njegovoj osi.
Struktura i klasifikacija 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 se sastoji od više prozirnih dielektričnih slojeva. Tipična struktura optičkog vlakna, kao što je prikazano na slici 2-1, može se podijeliti u tri sloja: jezgro s višim indeksom prelamanja, omotač s nižim indeksom prelamanja i vanjski premaz. Struktura jezgra i omotača ispunjava zahtjeve za vođenje svjetlosti, kontrolirajući širenje svjetlosnih valova duž jezgre; premaz uglavnom ima zaštitnu funkciju (pošto ne vodi svjetlost, može se bojati u razne boje).
(Slika 2-1 Struktura tipičnog optičkog vlakna)
(1) Jezgro vlakna Jezgro vlakna se nalazi u centru optičkog vlakna (prečnik 5~80µm). Njegov sastav je silicijum dioksid visoke -čistoće, sa dodatkom u tragovima dodataka kao što su germanijum dioksid i fosfor pentoksid. Svrha dodavanja ovih malih količina dodataka je da se na odgovarajući način poveća indeks prelamanja (n) jezgre vlakna. Za komunikaciona optička vlakna, prečnik jezgra je 5~10µm (jednomodno vlakno) ili 50~80µm (višemodno vlakno).
(2) Obloga: Obloga se nalazi oko jezgre vlakna (njegov promjer je približno 125 μm), a njegov sastav je također visoke{2}}silicijum dioksid visoke čistoće koji sadrži vrlo malu količinu dopanta. Uloga dodatka (kao što je bor trioksid) je da na odgovarajući način smanji optički indeks prelamanja (n2) omotača, čineći ga nešto nižim od indeksa prelamanja jezgre vlakna. Kako bi se zadovoljili različiti zahtjevi za vođenjem svjetla, obloga se može napraviti kao jednoslojni ili višeslojni.
(3) Spoljni sloj obloženog 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. Sekundarni premaz je dodatni sloj termoplastičnog materijala koji se nanosi preko primarnog premaza, pa se stoga naziva i oblogom. Vanjski prečnik presvučenog optičkog vlakna je općenito oko 1,5 cm.
Debljina jezgre vlakna, raspodjela indeksa prelamanja materijala jezgre i indeks prelamanja materijala obloge igraju odlučujuću ulogu u karakteristikama prijenosa optičkog vlakna. Materijal za oblaganje je obično homogen materijal sa konstantnim indeksom prelamanja. Ako postoji više slojeva obloge, indeksi loma svakog sloja obloge su različiti. Indeks prelamanja jezgre vlakna može biti ujednačen ili može varirati duž polumjera jezgre r. Stoga se funkcija raspodjele indeksa loma n(r) duž polumjera obično koristi za karakterizaciju promjene indeksa prelamanja jezgre.
Klasifikacija optičkih vlakana:
Evo engleskog prijevoda teksta sa slike:
"Trenutno postoji mnogo vrsta optičkih vlakana, ali metode njihove klasifikacije općenito su podijeljene u 4 kategorije: klasifikacija prema distribuciji indeksa prelamanja vlakana, klasifikacija prema načinu prijenosa, klasifikacija prema radnoj talasnoj dužini i klasifikacija prema omotu i materijalu omotača. Osim toga, prema sastavu komponenti optičkih vlakana, pored najčešće korištenih optičkih vlakana, optička vlakna od plastike i fluora, tu su i plastična vlakna od plastike.
(1) Klasifikacija prema distribuciji indeksa prelamanja vlakana: može se podijeliti na vlakna sa stepenastim indeksom (SIF) i vlakna sa stepenastim indeksom (GIF).
1. Optičko vlakno s indeksom koraka: odnosi se na jezgro vlakna i područje omotača gdje je distribucija indeksa prelamanja ujednačena, vrijednost je konstantna, a distribucija indeksa prelamanja predstavlja stepenastu-slojevitu strukturu. Varijacija indeksa refrakcije je -slična. Raspodjela indeksa prelamanja optičkog vlakna s indeksom koraka prikazana je na slici 2-2.
Njegov izraz raspodjele indeksa loma je:
n(r) = {n₁(r Manje ili jednako a₁)
{n₂ (a₁< r Manje ili jednako a₂)
Step index optičko vlakno je rani strukturni oblik optičkog vlakna. Kasnije, u multimodnom optičkom vlaknu, postepeno je zamijenjeno optičkim vlaknom s gradiranim indeksom (jer optičko vlakno s gradiranim indeksom može uvelike smanjiti modalnu disperziju boja koju ima višemodno optičko vlakno). Međutim, još uvijek je relativno uobičajeno koristiti ga za prijenos impulsne svjetlosti u optičkim vlaknima. Trenutno, kada jedno-modno optičko vlakno postepeno zamjenjuje višemodno optičko vlakno kao glavni proizvod komercijalnog optičkog vlakna, struktura optičkog vlakna s indeksom koraka postala je jedini strukturni oblik single-modnog optičkog vlakna - mora biti -slična.
2. Optičko vlakno s gradiranim indeksom: odnosi se na optičko vlakno čija raspodjela indeksa prelamanja varira s polumjerom r. Kako se udaljenost od centra povećava i postepeno smanjuje, radijus se postepeno smanjuje. Njegovo pravilo varijacije općenito odgovara pravilu eksponencijalne moći. Kada dođe do jezgre vlakna i interfejsa omotača, ono se skraćuje na vrednosti koje odgovaraju ovojnici; u području omotača, njegova raspodjela indeksa prelamanja je ujednačena, odnosno n₂. Distribucija indeksa prelamanja optičkog vlakna sa stepenastim indeksom prikazana je na slici 2-3."
Njegova distribucija indeksa prelamanja izražava se na sljedeći način:
"U jednadžbi, g je broj distribucije indeksa prelamanja; on predstavlja različite vrijednosti pri različitim distribucijama indeksa loma; n₁ je indeks loma u centru jezgre vlakna; n₂ je indeks loma omotača; a₁ je polumjer jezgre; Δ je relativna razlika indeksa prelamanja {Δ, relativna razlika indeksa prelamanja{₁{0} n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
Glavni razlog za smanjenu intermodalnu disperziju optičkog vlakna s gradiranim indeksom je taj što smanjuje modalnu disperziju, produžava udaljenost prijenosa i povećava kapacitet prijenosa.
(2) Klasifikacija prema načinu prijenosa:Može se podijeliti na Multi-Vlakna (MMF) i Single Mode Fiber (SMF). Kao što ime sugerira, višemodno optičko vlakno može prenositi višestruke modove, dok jednomodno-optičko vlakno može prenositi samo osnovni mod i modove električnog polja. Općenito se vjeruje da u novoj generaciji prijenosnih rješenja treba dominirati single-modno optičko vlakno jer može prenositi mnogo dalje od multimodnog optičkog vlakna. Kada su gubitak i disperzija prijenosnog medija isti, kapacitet prijenosa informacija nakon jednomodne modulacije je mnogo veći od onog nakon višemodske modulacije.
Pod određenim radnim uslovima talasne dužine, postoji mnogo načina prenosa u optičkim vlaknima, a ovi modovi vlakana su multimodna optička vlakna. Modalni indeks loma višemodnog optičkog vlakna je približno isti kao indeks loma jezgre vlakna, a broj modova je približno proporcionalan kvadratu od V (normalizirana frekvencija). Stoga se naziva i gradirano višemodno optičko vlakno. Kasnije je postupno postalo optičko vlakno s gradiranim indeksom.
Pod određenim radnim uslovima talasne dužine, ako postoji samo jedan način prenosa u optičkom vlaknu, to se naziva jedno-modno optičko vlakno. Jednomodno-optičko vlakno može prenositi samo osnovni mod (aksijalni mod), i nema intermodalne disperzije prilikom prijenosa u ovom načinu. U poređenju sa višemodnim optičkim vlaknom sa velikim brojem modova višeg-reda, ovo je veoma korisno za-komunikacione sisteme sa optičkim vlaknima velike brzine.
(3) Klasifikacija prema radnoj talasnoj dužini: Može se podijeliti na kratko-optičko vlakno s kratkim talasima i dugo-optičko vlakno.
1. Optičko vlakno kratke talasne dužine: U početnoj fazi razvoja komunikacije optičkim vlaknima, uobičajena talasna dužina bila je između 0,6 ~ 0,9 μm. Glavni razlog u to vrijeme je bio taj što su poluvodički laserski izvori svjetlosti i detektori koji rade u ovom opsegu talasnih dužina bili relativno zreli, a kratko{5}}optičko vlakno kratkih talasnih dužina je bilo glavni proizvod. Trenutno se rijetko koristi.
2. Optičko vlakno dugih-talasnih dužina: Kako se istraživački rad nastavlja, prilikom ulaska u opsege talasnih dužina od 1,31 μm i 1,55 μm, ova dva opsega talasnih dužina su pokazala niske gubitke, nultu disperziju i minimalne karakteristike gubitka savijanja. Stoga se istraživački rad postupno pomjerao ka ova dva opsega valnih dužina i pojavila su se optička vlakna s boljim performansama. Praksa je dokazala da na talasnim dužinama od 1,0 ~ 2,0 μm, optička vlakna imaju manji gubitak u poređenju sa kratkim-optičkim vlaknima.
(4)Duga{1}}optička vlakna su posebno pogodna za komunikaciju na daljinu-velikih-optičkih vlakana zbog svojih prednosti kao što su nisko slabljenje i širok propusni opseg.
1.Konvencionalno optičko vlakno: odnosi se na optičko vlakno čije je jezgro vlakna dopirano germanijumom, omotač i raspodjela indeksa prelamanja jezgre se kombinuju u određenom omjeru. Budući da ova vrsta optičkog vlakna ima dobre karakteristike i da se relativno lako proizvodi, prošlo je nekoliko generacija poboljšanja.
To je zbog visokog koeficijenta ekspanzije materijala sa germanijumom kao sirovinom. Na niskim temperaturama će se skupiti i popucati. Doći će do dvostrukog prelamanja naprezanja, dodajući asimetriju optičkom vlaknu.
2. Disperzijsko-pomaknuto optičko vlakno: Odnosi se na optičko vlakno koje se podvrgava toplinskoj obradi nakon dopiranja germanijumom, pomjerajući nultu-tačku disperzije u jednu talasnu dužinu, a ne tri ili tri puta veću od talasne dužine.
Proces proizvodnje ove vrste optičkih vlakana je relativno složen. Među njima, promjer jezgre mora odgovarati stupnju dopinga kako bi se optimiziralo optičko vlakno. Stoga još nije u širokoj upotrebi."
