I optisk kommunikasjon er den optiske bølgelederen som kreves for langdistanseoverføring av optiske signaler en sylindrisk dielektrisk bølgeleder kalt en optisk fiber (eller ganske enkeltoptisk fiber). Optisk fiber er en dielektrisk bølgeleder som opererer ved optiske frekvenser, og leder lysenergi til å forplante seg langs en retning parallelt med sin akse.
Struktur og klassifisering av optiske fibre
△Det ledende prinsippet for optisk fiber
Struktur av optisk fiber:
Optisk fiber (OF) er en gjennomsiktig dielektrisk fiber som brukes til å lede lys. En praktisk optisk fiber er sammensatt av flere transparente dielektriske lag. Den typiske strukturen til en optisk fiber, som vist i figur 2-1, kan deles inn i tre lag: kjernen med høyere brytningsindeks, kledningen med lavere brytningsindeks og det ytre belegget. Strukturen til kjernen og kledningen oppfyller kravene til lysstyring, kontrollerer forplantningen av lysbølger langs kjernen; belegget tjener hovedsakelig en beskyttende funksjon (siden det ikke leder lys, kan det farges i forskjellige farger).
(Figur 2-1 Strukturen til en typisk optisk fiber)
(1) Fiberkjerne Fiberkjernen er plassert i midten av den optiske fiberen (diameter 5~80µm). Sammensetningen er silisiumdioksid med høy-renhet, med spormengder av dopingmidler som germaniumdioksid og fosforpentoksid tilsatt. Hensikten med å tilsette disse små mengdene tilsetningsstoffer er å på passende måte øke brytningsindeksen (n) til fiberkjernen. For optiske kommunikasjonsfibre er kjernediameteren 5~10µm (enkelt-modusfiber) eller 50~80µm (flermodusfiber).
(2) Kledning: Kledningen er plassert rundt fiberkjernen (diameteren er omtrent 125 μm), og dens sammensetning er også høy-ren silisiumdioksid som inneholder en svært liten mengde dopingmiddel. Rollen til dopemidlet (som bortrioksid) er å redusere den optiske brytningsindeksen (n2) til kledningen, noe som gjør den litt lavere enn brytningsindeksen til fiberkjernen. For å møte ulike lysføringskrav kan kledningen lages som ett lag eller flere lag.
(3) Det ytterste laget av den belagte optiske fiberen er et belegg bestående av akrylat, silikongummi og nylon, noe som øker den mekaniske styrken og fleksibiliteten til den optiske fiberen. Belegget er generelt delt inn i et primært belegg og et sekundært belegg. Sekundærbelegget er et ekstra lag av termoplastisk materiale påført over primærbelegget, derfor kalles det også en kledning. Den ytre diameteren til den belagte optiske fiber er generelt ca. 1,5 cm.
Tykkelsen på fiberkjernen, brytningsindeksfordelingen til kjernematerialet og brytningsindeksen til kledningsmaterialet spiller en avgjørende rolle for overføringsegenskapene til den optiske fiberen. Kledningsmaterialet er vanligvis et homogent materiale med konstant brytningsindeks. Hvis det er flere kledningslag, er brytningsindeksene til hvert kledningslag forskjellige. Brytningsindeksen til fiberkjernen kan være jevn eller den kan variere langs kjerneradiusen r. Derfor er brytningsindeksfordelingsfunksjonen n(r) langs radien vanligvis brukt for å karakterisere endringen i kjernebrytningsindeksen.
Klassifisering av optiske fibre:
Her er den engelske oversettelsen av teksten fra bildet:
"For tiden er det mange typer optiske fibre, men klassifiseringsmetodene deres er generelt delt inn i 4 kategorier: klassifisering etter fiberbrytningsindeksfordeling, klassifisering etter overføringsmodus, klassifisering etter arbeidsbølgelengde, og klassifisering etter kappe og kledningsmateriale. I tillegg, i henhold til sammensetningen av optiske fiberkomponenter, er det i tillegg til de mest brukte optiske fibrene av silika og plastfiber også optisk fiber av plast.
(1) Klassifisering etter fiberbrytningsindeksfordeling: kan deles inn i Step Index Fiber (SIF) og Graded Index Fiber (GIF).
1. Trinnindeks optisk fiber: refererer til fiberkjernen og kledningsområdet der brytningsindeksfordelingen er jevn, verdien er konstant, og brytningsindeksfordelingen presenterer en trinn-lignende lagdelt struktur. Variasjonen av brytningsindeks er trinn-lignende. Brytningsindeksfordelingen til optisk fiber med trinnindeks er vist i figur 2-2.
Dens brytningsindeksfordelingsuttrykk er:
n(r) = {n₁(r Mindre enn eller lik a₁)
{n₂ (a₁< r Mindre enn eller lik a₂)
Step index optisk fiber er en tidlig strukturell form for optisk fiber. Senere, i multimode optisk fiber, ble den gradvis erstattet av gradert indeks optisk fiber (fordi gradert indeks optisk fiber kan i stor grad redusere den modale fargespredningen som multimode optisk fiber har). Imidlertid er det fortsatt relativt vanlig å bruke det til å overføre pulsert lys i optiske fibre. For øyeblikket, når enkelt-modus optisk fiber gradvis erstatter multimodus optisk fiber som hovedproduktet av kommersiell optisk fiber, har trinnindeks optisk fiberstruktur blitt den eneste strukturelle formen for enkel-optisk fiber - den må være trinn-lignende.
2. Gradert indeks optisk fiber: refererer til optisk fiber hvis brytningsindeksfordeling varierer med radius r. Etter hvert som avstanden fra sentrum øker og gradvis avtar, blir radiusen gradvis mindre. Variasjonsregelen er generelt i samsvar med makteksponentialregelen. Når man når fiberkjernen og kledningsgrensesnittet, avkortes den til verdiene som tilsvarer kledningen; i kledningsområdet er dens brytningsindeksfordeling jevn, dvs. n2. Brytningsindeksfordelingen til optisk fiber med gradert indeks er vist i figur 2-3."
Dens brytningsindeksfordeling er uttrykt som følger:
"I ligningen er g brytningsindeksfordelingsnummeret; det representerer forskjellige verdier ved forskjellige brytningsindeksfordelinger; n₁ er brytningsindeksen i midten av fiberkjernen; n₂ er brytningsindeksen til kledningen; a₁ er kjerneradiusen; Δ er den relative brytningsindeksen {{1}, Δ {1}, n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
Hovedårsaken til den reduserte intermodale spredningen av optisk fiber med gradert indeks er at den reduserer modal spredning, utvider overføringsavstanden og øker overføringskapasiteten.
(2) Klassifisering etter overføringsmodus:Kan deles inn i Multi-Mode Fiber (MMF) og Single Mode Fiber (SMF). Som navnet antyder, kan multimodus optisk fiber overføre flere moduser, mens enkel-modus optisk fiber bare kan overføre grunnleggende modus og elektriske feltmoduser. Det antas generelt at den nye generasjonen overføringsløsninger bør domineres av enkel-optisk fiber fordi den kan overføre mye lenger enn optisk multimodusfiber. Når overføringsmediets tap og spredning er det samme, er informasjonsbærekapasiteten etter enkel-modusmodulasjon mye høyere enn etter multimodusmodulasjon.
Under visse arbeidsbølgelengdeforhold er det mange overføringsmoduser i optisk fiber, og disse fibermodusene er multimodus optiske fibre. Den modale brytningsindeksen til multimodus optisk fiber er omtrent den samme som brytningsindeksen til fiberkjernen, og antall moduser er omtrent proporsjonal med kvadratet av V (normalisert frekvens). Derfor kalles det også gradert multimode optisk fiber. Senere ble det gradvis gradert indeks optisk fiber.
Under visse arbeidsbølgelengdeforhold, hvis det bare er én overføringsmodus i den optiske fiberen, kalles den enkel-optisk fiber. Enkel-optisk fiber kan bare overføre den grunnleggende modusen (aksial modus), og det er ingen intermodal spredning ved overføring i denne modusen. Sammenlignet med multimodus optisk fiber med et stort antall høyere-modi, er dette svært nyttig for høyhastighets optisk fiberkommunikasjonssystemer.
(3) Klassifisering etter arbeidsbølgelengde: Kan deles inn i optisk fiber med kort-bølgelengde og optisk fiber med lang-bølgelengde.
1.Kort-optisk fiber: I den innledende fasen av utviklingen av optisk fiberkommunikasjon var den ofte brukte bølgelengden mellom 0,6 ~ 0,9 μm. Hovedårsaken på den tiden var at halvlederlaserlyskilder og detektorer som opererte i dette bølgelengdebåndet var relativt modne, og kort-optisk fiber var hovedproduktet. Foreløpig brukes den sjelden.
2.Lang-optisk fiber: Ettersom forskningsarbeidet fortsetter, når man går inn i bølgelengdebåndene på 1,31 μm og 1,55 μm, har disse to bølgelengdebåndene vist lavt tap, null dispersjon og minimum bøyingstap. Derfor har forskningsarbeidet gradvis skiftet mot disse to bølgelengdebåndene, og optiske fibre med bedre ytelse har dukket opp. Praksis har vist at ved bølgelengder på 1,0 ~ 2,0 μm, har optiske fibre lavere tap sammenlignet med kort- optiske fibre.
(4)Optiske fibre med lang-bølgelengde er spesielt egnet for lang-, optisk fiberkommunikasjon med høy-kapasitet på grunn av deres fordeler som lav demping og bred båndbredde.
1. Konvensjonell optisk fiber: refererer til optisk fiber hvis fiberkjerne er dopet med germanium, kledning og kjernebrytningsindeksfordeling er kombinert i et visst forhold. Siden denne typen optisk fiber har gode egenskaper og er relativt enkle å produsere, har den passert flere generasjoner med forbedringer.
Dette skyldes den høye ekspansjonskoeffisienten til materialet med germanium som råmateriale. Ved lave temperaturer vil den krympe og sprekke. Spenningsdobbeltbrytning vil oppstå, og legge til asymmetri til den optiske fiberen.
2.Dispersjon-forskjøvet optisk fiber: Refererer til optisk fiber som gjennomgår varmebehandling etter doping med germanium, og flytter null-spredningspunktet til én bølgelengde, ikke tre eller tre ganger bølgelengden.
Produksjonsprosessen for denne typen optisk fiber er relativt komplisert. Blant dem må kjernediameteren samsvare med graden av doping for å optimalisere den optiske fiberen. Derfor har den ikke blitt mye brukt ennå."
