Волоконно -волоконна оптика використовуються для передачі світла та інформації на коротких або довгих відстанях. Протягом останніх кількох десятиліть волоконна оптика поєднувалася з напівпровідниковими лазерними діодами та оптичними приймачами, щоб забезпечити швидке зростання систем волоконно -оптичної комунікації. Оптичне волокно-це круговий діелектричний хвилевод поперечного перерізу, що складається з серцевини, концентричної обшивки навколо серцевини та дещо нижчого показника заломлення (близько 1%). Оптичні волокна зазвичай виготовляються з діоксиду кремнію з допантами, такими як GEO2, який змінює показник заломлення діоксиду кремнію. Волоконно -оптичні кабелі інкапсулюють волокно в захисний шар, що робить волокна легшим у обробці, зменшує перехрестя між сусідніми волокнами і запобігає пошкодженню волокна, коли він притискається до шорстких поверхонь. Окрім переваг передачі світла, ув'язнення світла до невеликої площі всередині ядра волокна сприяло розвитку волоконно -волоконних лазерів та фотонних кристалічних волокон.
Основи волоконної оптики
Рис. 1 Схема критичного кута та тиру (зліва). Світло опромінене на інтерфейсі, що належить до ядра, під кутом, більшим, ніж критичний кут потрапляє всередину серцевини волокна (праворуч). Зв'язок між кутом отримання (), Na та показником заломлення.
На малюнку 1 показано напрямок падаючого світла, коли він стикається з інтерфейсом світло-щільного середовища (тобто N2
Оптичне волокно - це круговий діелектричний хвилевод із серцевиною, що має більший показник заломлення, ніж обшивка. Як показано на малюнку 1, якщо кутовий стан TIR буде задоволений, то світло буде обмежене в ядрі. НА оптичного волокна визначається як синус максимального кута падіння () падаючого світла в ядрі. Геометрія та склад оптичного волокна визначають набір дискретних електромагнітних полів або режимів волокон, які можуть поширюватися через волокно. Режими поділяються на дві широкі категорії: випромінювані та проведені режими. Світло, що випромінюється поза вказаним кутом волокна Na, буде збуджувати режими випромінювання.
Ці режими вивозять енергію з ядра і швидко її розсіюють. Світло, що випромінюється всередині НА волокна, зазвичай виробляє проведені режими, обмежені серцевиною. Ці режими поширюють енергію вздовж волокна, передаючи інформацію та потужність. Якщо ядро оптичного волокна досить велике, воно може підтримувати багато режимів провідності одночасно, тобто багатомодового поширення. Коли світло падає в оптичне волокно, режими збуджуються різним ступенем залежно від умов падіння (наприклад, вхідного кута конуса, розміру плями, осьового центру) і може проявляти широкий спектр просторових розподілів. Так само, як поперечні режими лазера, режими найнижчого порядку оптичного волокна мають майже гауссовий просторовий розподіл і, отже, мають багато однакових переваг. Це причина, чому часто очікується підтримувати трансмісію в одному режимі в оптичних волокнах. Нормалізований параметр частоти волокна (також відомий як v-номер)-це дуже корисний технічний параметр, який виражає кількість режимів на заданій довжині хвилі на основі НА волокна та радіуса ядра.
Малюнок 2 Типове спектральне ослаблення в кварцовому волокні (зліва). Коли світло рухається по волокні, дисперсія змушує індивідуальні легкі імпульси розширюватись у часовій області (вгорі праворуч). Приклад декількох імпульсів, що представляють потік інформаційних бітів, які стають невпізнанними через дисперсію після поширення (праворуч праворуч).
Оптична потужність, що поширюється через оптичне волокно, розпадається експоненціально з довжиною волокна внаслідок поглинання та втрати розсіювання (див. Малюнок 2). Ослаблення є найважливішим фактором системи волоконно -оптичної комунікації і безпосередньо впливає на рівень сигналу, який може бути отриманий. У областях NIR та VIS невелика втрата поглинання чистого кремнезему пояснюється хвостами смуг поглинання у ПДВ та УФ. Домішки, особливо вода у вигляді іонів гідроксиду, є більш домінуючим джерелом поглинання в комерційних оптичних волокнах. Останні вдосконалення чистоти волокна зменшили втрати ослаблення до порядку 0. 1 дБ/км. Втрата розсіювання також може призвести до ослаблення у вигляді невеликих коливань показників заломлення у волокні, коли волокно виліковується, а діаметр ядра та геометрія є нерегулярними.
Пропускна здатність оптичного волокна визначає його швидкість передачі даних. Механізм, що обмежує пропускну здатність оптичного волокна, називається дисперсією. Дисперсія - це розширення світлових імпульсів, які виникають під час поширення вздовж волокна. Результат полягає в тому, що один імпульс тягнеться до іншого, і інформація стає не відрізняється (див. Малюнок 2).
Дисперсія обмежує пропускну здатність та відстань, на якій можна передавати інформацію. Існує два основні типи дисперсії: внутрішньомодальна дисперсія та міжмодальна дисперсія. Існує два різних типи внутрішньомодальної дисперсії: дисперсія хроматичної дисперсії та поляризації. Хроматична дисперсія є просто результатом показника заломлення матеріалу, що змінюється з довжиною хвилі. Дисперсія режиму поляризації обумовлена ортогональною поляризаційною режимами, що рухаються з різними швидкостями волокна внаслідок двору. Інтермодальна дисперсія виникає через те, що різні режими поширення рухаються з різними швидкостями. Тому інтермодальна дисперсія стосується лише мультимодних волокон.
Малюнок 3 Контроль поляризації в оптичному волокні, спрацьовуваному стисненням волокна з різних напрямків.
Одномодні волокна підтримують режими, що складаються з двох ортогонально поляризованих режимів. Це наслідок асиметрії поперечного перерізу ядра волокна. Зазвичай зовнішні напруження є випадковими, а отримана індукована зволоження допомагає порушити або рандомізувати стани поляризації. Спеціальні волокна, які називаються волокнами, що зберігають упередження, виробляють послідовну схему двокорідженого поєднання над їх довжиною. Це досягається шляхом оптимізації геометрії волокна та матеріалів, які викликають велику кількість напруги в одному напрямку. Ця велика індукована володіння домінує в порівнянні з випадковим двома, що дозволяє підтримувати стан поляризації під час розповсюдження всередині волокна. Контроль стану поляризації в оптичному волокні є аналогічним контролю в вільному просторі, застосовуючи хвильову табличку, яка спричиняє зміну фази двох ортогональних станів поляризації. Це досягається за допомогою стресу, спричиненого стресом волокна, що спричиняє затримку, що призводить до хвильової панелі на основі хвилеводу. Аналогічний пристрій поляризації, включаючи волокно, що обертається навколо волокна, показаний на малюнку 3. Застосування тиску до оптичного волокна виробляє лінійне володіння, ефективно утворюючи волоконно -оптичний хвилевод із затримкою, що змінюється залежно від тиску.
