Optika vlákna a optické kabely se používají k přenosu světelné energie a informací na krátké nebo dlouhé vzdálenosti. V posledních několika desetiletích byla optika vlákna kombinována s polovodičovými laserovými diodami a optickými přijímači, aby se umožnil rychlý růst komunikačních systémů optických vláken. Optické vlákno je kruhový průřezový dielektrický vlnovod sestávající z jádra, soustředného pláště kolem jádra a mírně nižšího indexu lomu (asi 1%). Optická vlákna jsou obvykle vyrobena z oxidu křemíkového oxidu s dopanty, jako je GEO2, který mění index lomu oxidu křemíku. Vláknité kabely zapouzdřují vlákno do ochranné vrstvy, která usnadňuje manipulaci s vláknem, snižuje přeslech mezi sousedními vlákny a zabraňuje poškození vlákna, když je tlačen proti drsným povrchům. Kromě výhod přenosu světla usnadnilo uvěznění světla na malou oblast v jádru vlákna vývoj laserů vláken a fotonických krystalických vláken.
Základy optiky vlákna
Obr. 1 Schéma kritického úhlu a TIR (vlevo). Světlo ozářené na rozhraní Cladding v úhlu většího než kritický úhel je zachyceno uvnitř jádra vlákna (vpravo). Vztah mezi přijetím úhlu (), NA a indexem lomu.
Obrázek 1 ukazuje směr dopadajícího světla, když se setkává s rozhraním světla šetřícího média (tj. N2
Optické vlákno je kruhový dielektrický vlnovod s jádrem, který má vyšší index lomu než plášť. Jak je znázorněno na obrázku 1, pokud je úhlový stav TIR splněn, bude světlo omezeno v jádru. NA optického vlákna je definována jako sinus maximálního úhlu incidence () incidentního světla TIR v jádru.na je kvalitativní míra schopnosti optického vlákna koncentrovat světlo a také naznačuje, jak snadné je spárovat do vlákna. Geometrie a složení optického vlákna určuje sadu diskrétních elektromagnetických polí nebo vláken, které se mohou šířit přes vlákno. Režimy spadají do dvou širokých kategorií: vyzařované a prováděné režimy. Světlo emitované mimo zadaný úhel vlákna NA vzrušuje záření.
Tyto režimy provádějí energii z jádra a rychle ji rozptylují. Světlo emitované v NA vlákna obvykle produkuje prováděné režimy, které jsou omezeny na jádro. Tyto režimy šíří energii podél vlákna, přenášejí informace a energii. Pokud je jádro optického vlákna dostatečně velké, může to podporovat mnoho režimů vedení současně, tj. Propagace multimodu. Když je světlo dopadající do optického vlákna, jsou režimy nadšené na různé míry v závislosti na podmínkách dopadu (např. Vstupní úhel kužele, velikost bodového, axiálního středu) a mohou vykazovat širokou škálu prostorových rozložení. Stejně jako příčné režimy laseru mají režimy nejnižšího řádu optického vlákna téměř gaussovské prostorové rozložení, a proto mají mnoho stejných výhod. To je důvod, proč se často očekává, že bude udržovat přenos jednoho režimu v optických vláknech. Normalizovaný frekvenční parametr vlákna (také známého jako V-číslo V) je velmi užitečný technický parametr, který vyjadřuje počet režimů na dané vlnové délce na základě NA vlákna a poloměru jádra.
Obrázek 2 Typické spektrální útlum v křemenném vláknu (vlevo). Jak světlo cestuje podél vlákna, disperze způsobuje, že se jednotlivé světelné impulsy rozšíří v časové doméně (vpravo nahoře). Příklad více pulsů představujících proud informačních bitů, které se stanou nepoznatelnými kvůli rozptylu po šíření (vpravo dole).
Optický výkon se šíří přes optická vlákna exponenciálně s délkou vlákna v důsledku absorpčních a rozptylových ztrát (viz obrázek 2). Útlum je nejdůležitějším faktorem v komunikačním systému optických vláken a přímo ovlivňuje úroveň signálu, který lze přijmout. V oblastech NIR a vis je malá absorpční ztráta čistého oxidu křemičitého způsobena ocasy absorpčních pásů v FIR a UV. Nečistoty, zejména voda ve formě iontů hydroxidu, jsou dominantním zdrojem absorpce v komerčních optických vláknech. Nedávná vylepšení čistoty vláken snížila ztrátu útlumu v řádu 0. 1 dB/km. Ztráta rozptylu může také vést k útlumu ve formě malých fluktuací indexu lomu ve vlákně, když je vlákna vyléčena a průměr jádra a geometrie jsou nepravidelné.
Šířka pásma optického vlákna určuje rychlost přenosu dat. Mechanismus, který omezuje šířku pásma optického vlákna, se nazývá disperze. Disperze je rozšíření světelných pulzů, ke kterým dochází při šíření podél vlákna. Výsledkem je, že jeden puls se táhne do jiného a informace se stávají nerozeznatelnými (viz obrázek 2).
Disperze omezuje šířku pásma a vzdálenost, nad nimiž lze přenášet informace. Existují dva hlavní typy disperze: intramodální disperze a mezimodální disperze. Existují dva různé typy intra-modální disperze: chromatická disperze a disperze polarizačního režimu. Chromatická disperze je jednoduše výsledkem indexu lomu materiálu měnícího se s vlnovou délkou. Disperze polarizačního režimu je způsobena ortogonálními polarizačními režimy, které se pohybují v důsledku dvojnásobné polarizační režimy. Nastává intermodální disperze, protože různé režimy šíření cestují různými rychlostmi. Intermodální disperze se proto vztahuje pouze na multimodová vlákna.
Obrázek 3 Kontrola polarizace v optickém vláknu vyvolaném stisknutím vlákna z různých směrů.
Režimy podpory vlákna s jedním režimem sestávající ze dvou ortogonálně polarizovaných režimů. To je důsledek asymetrie průřezu jádra vlákna. Obvykle jsou vnější napětí náhodná a výsledná indukovaná dvojlom pomáhá rušit nebo randomizovat polarizační stavy. Speciální vlákna zvaná zkreslení zachovávající vlákna produkují v jejich délce konzistentní vzorec birefringence. Toho je dosaženo optimalizací geometrie vlákna a materiály, které produkují velké množství napětí v jednom směru. Tato velká indukovaná birefringence dominuje ve srovnání s náhodným dvojlomcem, což umožňuje udržovat stav polarizace během šíření uvnitř vlákna. Řízení stavu polarizace v optickém vláknu je analogické pro kontrolu volného prostoru použitím vlnové desky, která způsobuje změnu fáze dvou ortogonálních polarizačních stavů. Toho je dosaženo fondu vyvolaným napětím, což způsobuje zpoždění, což má za následek vlnovou desku na bázi vlnovodu. Podobné polarizační zařízení, včetně vlákniny rotujícího kolem vlákna, je znázorněno na obrázku 3. Použití tlaku na optickou vlákno vytváří lineární dvojlom a účinně vytváří optický vlnovod vlákna se zpožděním, které se liší v závislosti na tlaku.
