Vláknová optika: Pochopení základů

Nic nezměnilo svět komunikací tolik jako vývoj a implementace optických vláken. Tento článek poskytuje základní principy potřebné pro práci s touto technologií.
 

Inženýrský a marketingový personál

Optická vlákna jsou vyrobena ze skla nebo plastu. Většina z nich má průměr přibližně lidského vlasu a může být dlouhá mnoho mil. Světlo se přenáší podél středu vlákna z jednoho konce na druhý a může být zaveden signál. Systémy optických vláken jsou v mnoha aplikacích lepší než kovové vodiče. Jejich největší výhodou je šířka pásma. Díky vlnové délce světla je možné přenášet signál, který obsahuje podstatně více informací, než je možné u kovového vodiče – dokonce i u koaxiálního vodiče. Mezi další výhody patří:

• Elektrická izolace - Optická vlákna nepotřebují uzemnění. Vysílač i přijímač jsou od sebe izolovány, a proto nemají problémy se zemní smyčkou. Rovněž nehrozí nebezpečí jiskření nebo úrazu elektrickým proudem.

• Osvobození od EMI – Vláknová optika je odolná vůči elektromagnetickému rušení (EMI) a sama nevyzařuje žádné záření, které by způsobovalo jiné rušení.

• Nízká ztráta energie – umožňuje delší kabely a méně zesilovačů zesilovačů.

• Lehčí a menší – vlákno váží méně a potřebuje méně místa než kovové vodiče s ekvivalentní přenosovou kapacitou signálu.

Měděný drát je asi 13x těžší. Vlákno se také snadněji instaluje a vyžaduje méně prostoru v potrubí.

Aplikace

Některé z hlavních oblastí použití optických vláken jsou:

• Komunikace – Přenos hlasu, dat a videa jsou nejběžnějšími způsoby použití optických vláken a zahrnují:

– Telekomunikace
– místní sítě (LAN)
– Průmyslové řídicí systémy
– avionické systémy
– Vojenské systémy velení, řízení a komunikace

• Snímání – Vláknová optika může být použita k dodání světla ze vzdáleného zdroje do detektoru pro získání informací o tlaku, teplotě nebo spektru. Vlákno lze také přímo použít jako převodník pro měření řady vlivů prostředí, jako je napětí, tlak, elektrický odpor a pH. Změny prostředí ovlivňují intenzitu světla, fázi a/nebo polarizaci způsoby, které lze detekovat na druhém konci vlákna.

• Dodávka energie – Optická vlákna mohou dodávat pozoruhodně vysokou úroveň energie pro úkoly, jako je řezání laserem, svařování, značení a vrtání.

• Osvětlení – Svazek vláken shromážděných společně se světelným zdrojem na jednom konci může osvětlit oblasti, které jsou obtížně dostupné – například uvnitř lidského těla ve spojení s endoskopem. Lze je také použít jako vývěsní štít nebo jednoduše jako dekorativní osvětlení.

 

Obrázek 1 Optické vlákno se skládá z jádra, pláště a povlaku.

 

Konstrukce

Optické vlákno se skládá ze tří základních soustředných prvků: jádra, pláště a vnějšího povlaku (obrázek 1).

Jádro je obvykle vyrobeno ze skla nebo plastu, i když se někdy používají jiné materiály v závislosti na požadovaném spektru přenosu.

Jádro je světlo propouštějící část vlákna. Plášť je obvykle vyroben ze stejného materiálu jako jádro, ale s mírně nižším indexem lomu (obvykle asi o 1 % nižším). Tento rozdíl indexu způsobuje totální vnitřní odraz na hranici indexu podél délky vlákna, takže světlo je přenášeno dolů po vláknu a neuniká bočními stěnami.

 

 

Obrázek 2Paprsek světla procházející z jednoho materiálu do druhého s různým indexem lomu se na rozhraní ohýbá nebo láme.

Povlak obvykle obsahuje jeden nebo více povlaků plastového materiálu pro ochranu vlákna před fyzikálním prostředím. Někdy se k povlaku přidávají kovové pláště pro další fyzickou ochranu.

Optická vlákna jsou obvykle specifikována svou velikostí, danou jako vnější průměr jádra, pláště a povlaku. Například 62,5/125/250 by odkazovalo na vlákno s průměrem jádra 62.{5}}µm, pláštěm o průměru 125-µm a 0.{8} } mm průměr vnějšího povlaku.

 

 

Na trhu Photonics Marketpla je 81 dodavatelů optických vláken

 

Zásady

Optické materiály jsou charakteristické svým indexem lomu, označovaným jako n. Index lomu materiálu je poměr rychlosti světla ve vakuu k rychlosti světla v materiálu. Když paprsek světla prochází z jednoho materiálu do druhého s jiným indexem lomu, paprsek se ohýbá (nebo láme) na rozhraní (obrázek 2).

Refrakce je popsána Snellovým zákonem:

kden_Ian_Rjsou indexy lomu materiálů, kterými se paprsek láme aIaRjsou úhly dopadu a lomu paprsku. Pokud je úhel dopadu větší než kritický úhel pro rozhraní (typicky asi 82 ​​stupňů pro optická vlákna), světlo se odráží zpět do dopadajícího média bez ztráty procesem známým jako úplný vnitřní odraz (obrázek 3).

Obrázek 3Úplný vnitřní odraz umožňuje, aby světlo zůstalo uvnitř jádra vlákna.

 

Podívejte se na video s definicí úplného vnitřního odrazu.

Režimy

Když je světlo vedeno po vláknu (jako jsou mikrovlny vedeny po vlnovodu), dochází k fázovým posunům na každé odrazné hranici. V optickém vláknu existuje konečný počet samostatných cest (známých jako režimy), které vytvářejí konstruktivní (ve fázi, a proto aditivní) fázové posuny, které zesilují přenos. Protože každý režim probíhá pod jiným úhlem k ose vlákna, jak se paprsek pohybuje po délce, každý z nich prochází vláknem od vstupu k výstupu jinou délku. Pouze jeden režim, režim nulového řádu, cestuje po délce vlákna bez odrazů od bočních stěn. Toto je známé jako jednovidové vlákno. Skutečný počet vidů, které se mohou v daném optickém vlákně šířit, je určen vlnovou délkou světla a průměrem a indexem lomu jádra vlákna.
 

Existuje několik příčin útlumu optického vlákna:

 

• Rayleighův rozptyl – variace indexu lomu materiálu jádra v mikroskopickém měřítku mohou způsobit značný rozptyl ve svazku, což vede k podstatným ztrátám optické mohutnosti. Rayleighův rozptyl je závislý na vlnové délce a je méně významný při delších vlnových délkách. Toto je nejdůležitější ztrátový mechanismus v moderních optických vláknech, který obecně představuje až 90 % jakékoli ztráty, ke které dochází.

 

• Absorpce – Současné výrobní metody snižují absorpci způsobenou nečistotami (zejména vodou ve vláknu) na velmi nízkou úroveň. V rámci pásma přenosu vlákna jsou ztráty absorpcí nevýznamné.

• Ohýbání – Výrobní metody mohou vytvářet nepatrné ohyby v geometrii vlákna. Někdy budou tyto ohyby dostatečně velké na to, aby způsobily, že světlo v jádře dopadne na rozhraní jádro/plášť pod kritickým úhlem, takže se světlo ztratí do materiálu pláště. K tomu může také dojít, když je vlákno ohnuto v těsném poloměru (méně než, řekněme, několik centimetrů). Citlivost na ohyb se obvykle vyjadřuje jako ztráta dB/km pro konkrétní poloměr ohybu a vlnovou délku.

 

 

Obrázek 4.Číselná apertura závisí na úhlu, pod kterým paprsky vstupují do vlákna, a na průměru jádra vlákna.

 

Typy vláken

V zásadě existují tři typy optických vláken: single mode, multimode stupňovaný index a multimode step-index. Jsou charakterizovány způsobem, jakým se světlo šíří po vláknu a závisí jak na vlnové délce světla, tak na mechanické geometrii vlákna. Příklady toho, jak šíří světlo, jsou uvedeny na obrázku 5.

 

 

Naše společnost se specializuje na výrobu plastových optických vláken/kabelů a všech druhů propojovacích kabelů z optických vláken, v případě zájmu mě neváhejte kontaktovat.