В оптичната комуникация оптичният вълновод, необходим за-предаване на оптични сигнали на дълги разстояния, е цилиндричен диелектричен вълновод, наречен оптично влакно (или простооптично влакно). Оптичното влакно е диелектричен вълновод, който работи на оптични честоти, насочвайки светлинната енергия да се разпространява по посока, успоредна на неговата ос.
Устройство и класификация на оптичните влакна
△Водещият принцип на оптичното влакно
Структура на оптичното влакно:
Оптичното влакно (OF) е прозрачно диелектрично влакно, използвано за насочване на светлина. Практичното оптично влакно се състои от множество прозрачни диелектрични слоеве. Типичната структура на оптично влакно, както е показано на фигура 2-1, може да бъде разделена на три слоя: сърцевина с по-висок индекс на пречупване, обвивка с по-нисък индекс на пречупване и външно покритие. Структурата на сърцевината и обвивката отговаря на изискванията за светлинно насочване, контролиращо разпространението на светлинните вълни по сърцевината; покритието изпълнява главно защитна функция (тъй като не насочва светлината, може да се боядисва в различни цветове).
(Фигура 2-1 Структура на типично оптично влакно)
(1) Сърцевина на влакното Сърцевината на влакното се намира в центъра на оптичното влакно (диаметър 5~80µm). Съставът му е силициев диоксид с висока -чистота, с добавени следи от добавки като германиев диоксид и фосфорен пентоксид. Целта на добавянето на тези малки количества добавки е да се увеличи по подходящ начин индексът на пречупване (n) на сърцевината на влакното. За комуникационни оптични влакна диаметърът на сърцевината е 5~10µm (едно-модово влакно) или 50~80µm (многомодово влакно).
(2) Обвивка: Обвивката е разположена около сърцевината на влакното (диаметърът й е приблизително 125 μm) и нейният състав също е силициев диоксид с висока -чистота, съдържащ много малко количество добавка. Ролята на добавката (като борен триоксид) е да намали по подходящ начин оптичния индекс на пречупване (n2) на обвивката, което го прави малко по-нисък от индекса на пречупване на сърцевината на влакното. За да отговори на различните изисквания за водене на светлина, облицовката може да бъде направена като един слой или няколко слоя.
(3) Най-външният слой на оптичното влакно с покритие е покритие, съставено от акрилат, силиконова гума и найлон, което увеличава механичната якост и гъвкавостта на оптичното влакно. Покритието обикновено се разделя на основно покритие и вторично покритие. Вторичното покритие е допълнителен слой от термопластичен материал, нанесен върху първичното покритие, поради което се нарича още облицовка. Външният диаметър на оптичното влакно с покритие обикновено е около 1,5 cm.
Дебелината на сърцевината на влакното, разпределението на индекса на пречупване на материала на сърцевината и индексът на пречупване на облицовъчния материал играят решаваща роля в характеристиките на предаване на оптичното влакно. Облицовъчният материал обикновено е хомогенен материал с постоянен коефициент на пречупване. Ако има няколко облицовъчни слоя, индексите на пречупване на всеки облицовъчен слой са различни. Индексът на пречупване на сърцевината на влакното може да бъде еднакъв или може да варира по радиуса на сърцевината r. Следователно функцията на разпределение на индекса на пречупване n(r) по радиуса обикновено се използва за характеризиране на промяната в индекса на пречупване на ядрото.
Класификация на оптичните влакна:
Ето английския превод на текста от изображението:
„Понастоящем има много видове оптични влакна, но техните методи за класифициране обикновено се разделят на 4 категории: класификация по разпределение на индекса на пречупване на влакната, класификация по режим на предаване, класификация по работна дължина на вълната и класификация по кожух и облицовъчен материал. В допълнение, според състава на компонентите на оптичните влакна, в допълнение към най-често използваните силициеви оптични влакна, има също флуоридни оптични влакна и пластмасови оптични влакна.
(1) Класификация по разпределение на индекса на пречупване на влакното: може да се раздели на влакно със стъпков индекс (SIF) и влакно с градуиран индекс (GIF).
1. Оптично влакно с индекс на стъпало: отнася се до областта на сърцевината и обвивката на влакното, където разпределението на индекса на пречупване е равномерно, стойността е постоянна и разпределението на индекса на пречупване представлява стъпаловидна слоеста структура, подобна на степен. Промяната на индекса на пречупване е стъпаловидна. Разпределението на индекса на пречупване на оптичното влакно с индекс на пречупване е показано на фигура 2-2.
Изразът на разпределението на индекса на пречупване е:
n(r) = {n₁(r По-малко или равно на a₁)
{n₂ (a₁< r По-малко или равно на a₂)
Оптичното влакно с индекс на стъпка е ранна структурна форма на оптично влакно. По-късно, в многомодовото оптично влакно, то постепенно беше заменено от оптично влакно с градуиран индекс (тъй като оптичното влакно с градуиран индекс може значително да намали дисперсията на модовия цвят, която има многомодовото оптично влакно). Въпреки това все още е сравнително често да се използва за предаване на импулсна светлина в оптични влакна. Понастоящем, когато едно-модовото оптично влакно постепенно измества многомодовото оптично влакно като основен продукт на търговското оптично влакно, структурата на оптичното влакно със стъпков индекс се превърна в единствената структурна форма на едно-модово оптично влакно - тя трябва да бъде стъп-подобна.
2. Оптично влакно с градуиран индекс: отнася се до оптично влакно, чието разпределение на индекса на пречупване варира в зависимост от радиуса r. Тъй като разстоянието от центъра се увеличава и постепенно намалява, радиусът постепенно става по-малък. Неговото правило за вариация обикновено съответства на правилото за степенна експоненция. При достигане на интерфейса на сърцевината на влакното и обвивката, тя се съкращава до стойностите, съответстващи на обвивката; в областта на обвивката разпределението на индекса на пречупване е равномерно, т.е. n₂. Разпределението на индекса на пречупване на оптично влакно с градуиран индекс е показано на фигура 2-3."
Неговото разпределение на индекса на пречупване се изразява, както следва:
„В уравнението g е числото на разпределението на индекса на пречупване; то представлява различни стойности при различни разпределения на индекса на пречупване; n₁ е индексът на пречупване в центъра на сърцевината на влакното; n₂ е индексът на пречупване на обвивката; a₁ е радиусът на сърцевината; Δ е относителната разлика в индекса на пречупване, Δ=(n₁² - n₂²)/2n₁²=(n1 - n₂)/n1.
Основната причина за намалената интермодална дисперсия на оптичното влакно с градуиран индекс е, че то намалява модалната дисперсия, разширява разстоянието на предаване и увеличава капацитета на предаване.
(2) Класификация по начин на предаване:Може да се раздели на много{0}}модово влакно (MMF) и едномодово влакно (SMF). Както подсказва името, многомодовото оптично влакно може да предава множество режими, докато едно-модовото оптично влакно може да предава само основни режими и режими на електрическо поле. Обикновено се смята, че новото поколение решения за предаване трябва да бъде доминирано от едно-модово оптично влакно, тъй като то може да предава много по-далеч от многомодовото оптично влакно. Когато загубата и дисперсията на предавателната среда са еднакви, капацитетът за носене на информация след едно-модулация е много по-висок от този след многомодова модулация.
При определени условия на работна дължина на вълната има много режими на предаване в оптичното влакно и тези режими на влакно са многомодови оптични влакна. Модалният индекс на пречупване на многомодовото оптично влакно е приблизително същият като индекса на пречупване на сърцевината на влакното, а броят на модовете е приблизително пропорционален на квадрата на V (нормализирана честота). Поради това се нарича още градуирано многомодово оптично влакно. По-късно постепенно се превърна в оптично влакно с градуиран индекс.
При определени условия на работна дължина на вълната, ако има само един режим на предаване в оптичното влакно, той се нарича едно-модово оптично влакно. Едно-модовото оптично влакно може да предава само основния режим (аксиален режим) и няма интермодална дисперсия при предаване в този режим. В сравнение с многомодовото оптично влакно с голям брой режими от по-висок-порядък, това е много полезно за високо-комуникационни системи с оптични влакна.
(3) Класификация по работна дължина на вълната: Може да се раздели на оптично влакно с къса-дължина на вълната и оптично влакно с дълга-дължина на вълната.
1. Оптично влакно с къса{1}} дължина на вълната: В началния етап на развитие на комуникацията с оптични влакна често използваната дължина на вълната беше между 0,6 ~ 0,9 μm. Основната причина по това време беше, че полупроводниковите лазерни светлинни източници и детектори, работещи в тази лента с дължина на вълната, бяха относително зрели и оптичното влакно с къса-дължина на вълната беше основният продукт. В момента се използва рядко.
2. Оптично влакно с дълга-дължина на вълната: Тъй като изследователската работа продължава, при навлизане в лентите с дължина на вълната от 1,31 μm и 1,55 μm, тези две ленти с дължина на вълната показват ниски загуби, нулева дисперсия и минимални загуби при огъване. Следователно изследователската работа постепенно се измести към тези две ленти с дължина на вълната и се появиха оптични влакна с по-добра производителност. Практиките са доказали, че при дължини на вълните от 1,0 ~ 2,0 μm оптичните влакна имат по-ниски загуби в сравнение с оптичните влакна с къса{8}}дължина на вълната.
(4) Оптичните влакна с дълга-дължина на вълната са особено подходящи за-комуникация с оптични влакна на дълги-разстояния с голям-капацитет поради техните предимства като ниско затихване и широка честотна лента.
1.Конвенционално оптично влакно: отнася се за оптично влакно, чието влакнесто ядро е легирано с германий, обвивката и разпределението на индекса на пречупване на сърцевината се комбинират в определено съотношение. Тъй като този тип оптично влакно има добри характеристики и е относително лесно за производство, той е преминал през няколко поколения подобрения.
Това се дължи на високия коефициент на разширение на материала с германий като суровина. При ниски температури ще се свие и ще се напука. Ще възникне двойно пречупване на напрежението, добавяйки асиметрия към оптичното влакно.
2. Дисперсионно{1}}изместено оптично влакно: Отнася се за оптично влакно, което претърпява топлинна обработка след допиране с германий, премествайки нулевата -точка на дисперсия в една дължина на вълната, а не три или три пъти дължината на вълната.
Процесът на производство на този тип оптично влакно е сравнително сложен. Между тях диаметърът на сърцевината трябва да съответства на степента на допинг, за да се оптимизира оптичното влакно. Следователно все още не е широко използван."
