Optiskajā komunikācijā optiskais viļņvads, kas nepieciešams optisko signālu pārraidei{0}}tālos attālumos, ir cilindrisks dielektrisks viļņvads, ko sauc par optisko šķiedru (vai vienkāršioptiskā šķiedra). Optiskā šķiedra ir dielektrisks viļņvads, kas darbojas ar optiskām frekvencēm, virzot gaismas enerģiju, lai tā izplatītos virzienā, kas ir paralēls tās asij.
Optisko šķiedru uzbūve un klasifikācija
Optiskās šķiedras struktūra:
Optiskā šķiedra (OF) ir caurspīdīga dielektriska šķiedra, ko izmanto gaismas vadīšanai. Praktiska optiskā šķiedra sastāv no vairākiem caurspīdīgiem dielektriskiem slāņiem. Tipisko optiskās šķiedras struktūru, kā parādīts 2-1. attēlā, var iedalīt trīs slāņos: serde ar augstāku laušanas koeficientu, apšuvums ar zemāku laušanas koeficientu un ārējais pārklājums. Serdes un apšuvuma struktūra atbilst gaismas vadīšanas prasībām, kontrolējot gaismas viļņu izplatīšanos gar serdi; pārklājums galvenokārt pilda aizsargfunkciju (tā kā tas nevada gaismu, to var krāsot dažādās krāsās).
(Attēls 2-1 Tipiskas optiskās šķiedras struktūra)
(1) Šķiedras kodols Šķiedras kodols atrodas optiskās šķiedras centrā (diametrs 5–80 µm). Tā sastāvs ir augstas -tīrības pakāpes silīcija dioksīds, kam pievienots neliels daudzums dopantu, piemēram, germānija dioksīds un fosfora pentoksīds. Šo nelielo dopantu daudzumu pievienošanas mērķis ir atbilstoši palielināt šķiedras kodola refrakcijas indeksu (n). Sakaru optiskajām šķiedrām serdes diametrs ir 5–10 µm (vienmodu šķiedra) vai 50–80 µm (daudzmodu šķiedra).
(2) Apšuvums: apšuvums atrodas ap šķiedras serdi (tā diametrs ir aptuveni 125 μm), un tā sastāvs ir arī augstas -tīrības silīcija dioksīds, kas satur ļoti nelielu piedevas daudzumu. Dopanta (piemēram, bora trioksīda) loma ir atbilstoši samazināt apšuvuma optisko laušanas koeficientu (n2), padarot to nedaudz zemāku par šķiedras kodola laušanas koeficientu. Lai atbilstu dažādām gaismas vadīšanas prasībām, apšuvumu var izgatavot kā vienu slāni vai vairākus slāņus.
(3) Pārklātās optiskās šķiedras ārējais slānis ir pārklājums, kas sastāv no akrilāta, silikona gumijas un neilona, kas palielina optiskās šķiedras mehānisko izturību un elastību. Pārklājums parasti ir sadalīts primārajā pārklājumā un sekundārajā pārklājumā. Sekundārais pārklājums ir papildu termoplastiska materiāla slānis, kas uzklāts virs primārā pārklājuma, tāpēc to sauc arī par apšuvumu. Pārklātās optiskās šķiedras ārējais diametrs parasti ir aptuveni 1,5 cm.
Šķiedras serdes biezumam, serdes materiāla refrakcijas indeksa sadalījumam un apšuvuma materiāla refrakcijas indeksam ir izšķiroša nozīme optiskās šķiedras caurlaidības īpašībās. Apšuvuma materiāls parasti ir viendabīgs materiāls ar nemainīgu refrakcijas koeficientu. Ja ir vairāki apšuvuma slāņi, katra apšuvuma slāņa refrakcijas rādītāji ir atšķirīgi. Šķiedras kodola refrakcijas indekss var būt vienmērīgs vai var mainīties gar serdes rādiusu r. Tāpēc, lai raksturotu galvenās refrakcijas indeksa izmaiņas, parasti izmanto refrakcijas indeksa sadalījuma funkciju n (r) pa rādiusu.
Optisko šķiedru klasifikācija:
Šeit ir attēla teksta tulkojums angļu valodā:
"Šobrīd ir daudz optisko šķiedru veidu, taču to klasifikācijas metodes parasti tiek iedalītas 4 kategorijās: klasifikācija pēc šķiedru refrakcijas indeksa sadalījuma, klasifikācija pēc pārraides režīma, klasifikācija pēc darba viļņa garuma un klasifikācija pēc apvalka un apšuvuma materiāla. Turklāt pēc optisko šķiedru komponentu sastāva papildus visbiežāk izmantotajai silīcija dioksīda optiskajai šķiedrai ir arī optiskās šķiedras ar plastmasas fluorīdu.
(1) Klasifikācija pēc šķiedru refrakcijas indeksa sadalījuma: var iedalīt pakāpeniskā indeksa šķiedrā (SIF) un pakāpeniskā indeksa šķiedrā (GIF).
1. Pakāpju indeksa optiskā šķiedra: attiecas uz šķiedras serdi un apšuvuma apgabalu, kur laušanas koeficienta sadalījums ir vienmērīgs, vērtība ir nemainīga, un refrakcijas indeksa sadalījums veido pakāpienu{1}}slāņainu struktūru. Refrakcijas indeksa variācija ir -solim līdzīga. Pakāpju indeksa optiskās šķiedras refrakcijas indeksa sadalījums parādīts 2-2. attēlā.
Tā refrakcijas indeksa sadalījuma izteiksme ir:
n(r) = {n₁(r Mazāks vai vienāds ar a₁)
{n₂ (a₁< r Mazāks vai vienāds ar a₂)
Pakāpju indeksa optiskā šķiedra ir agrīna optiskās šķiedras strukturālā forma. Vēlāk daudzmodu optiskajā šķiedrā tā pakāpeniski tika aizstāta ar pakāpeniskā indeksa optisko šķiedru (jo pakāpeniskā indeksa optiskā šķiedra var ievērojami samazināt modālo krāsu izkliedi, kāda ir daudzmodu optiskajai šķiedrai). Tomēr joprojām ir salīdzinoši izplatīts to izmantot, lai pārraidītu impulsu gaismu optiskajās šķiedrās. Pašlaik, kad viena -režīmu optiskā šķiedra pakāpeniski aizstāj daudzmodu optisko šķiedru kā galveno komerciālās optiskās šķiedras produktu, pakāpeniskā indeksa optiskās šķiedras struktūra ir kļuvusi par vienīgo -moda optiskās šķiedras - strukturālo formu, tai ir jābūt pakāpeniski- līdzīgai.
2. Pakāpju indeksa optiskā šķiedra: attiecas uz optisko šķiedru, kuras laušanas koeficienta sadalījums mainās atkarībā no rādiusa r. Palielinoties un pakāpeniski samazinoties attālumam no centra, rādiuss pakāpeniski kļūst mazāks. Tās variācijas noteikums parasti atbilst jaudas eksponenciālajam likumam. Sasniedzot šķiedras serdes un apšuvuma saskarni, tas tiek saīsināts līdz vērtībām, kas atbilst apšuvumam; apšuvuma reģionā tā laušanas koeficienta sadalījums ir vienmērīgs, tas ir, n₂. Grafikas indeksa optiskās šķiedras refrakcijas indeksa sadalījums ir parādīts 2-3 attēlā."
Tā refrakcijas indeksa sadalījumu izsaka šādi:
"Vienādojumā g ir refrakcijas indeksa sadalījuma skaitlis; tas apzīmē dažādas vērtības pie dažādiem refrakcijas indeksa sadalījumiem; n₁ ir refrakcijas indekss šķiedras serdes centrā; n₂ ir apvalka laušanas koeficients; a₁ ir kodola rādiuss; Δ ir relatīvā laušanas koeficienta starpība, {0 n₂²)/2n1²=(n₁ - n₂)/n₁.
Galvenais iemesls gradētā indeksa optiskās šķiedras intermodālās izkliedes samazināšanai ir tas, ka tā samazina modālo izkliedi, pagarina pārraides attālumu un palielina pārraides jaudu.
(2) Klasifikācija pēc pārraides režīma:Var iedalīt daudzrežīmu šķiedrā (MMF) un vienmoda šķiedrā (SMF). Kā norāda nosaukums, daudzmodu optiskā šķiedra var pārraidīt vairākus režīmus, savukārt viena -režīmu optiskā šķiedra var pārraidīt tikai pamata režīmu un elektriskā lauka režīmus. Parasti tiek uzskatīts, ka jaunās paaudzes pārraides risinājumos dominē viena -moda optiskā šķiedra, jo tā var pārraidīt daudz tālāk nekā daudzmodu optiskā šķiedra. Ja pārraides vides zudumi un izkliede ir vienādi, informācijas nestspēja pēc viena -moda modulācijas ir daudz lielāka nekā pēc daudzmodu modulācijas.
Noteiktos darba viļņa garuma apstākļos optiskajā šķiedrā ir daudz pārraides režīmu, un šie šķiedru režīmi ir daudzmodu optiskās šķiedras. Daudzmodu optiskās šķiedras modālais refrakcijas indekss ir aptuveni tāds pats kā šķiedras kodola laušanas koeficients, un režīmu skaits ir aptuveni proporcionāls V kvadrātam (normalizētā frekvence). Tāpēc to sauc arī par šķiroto daudzmodu optisko šķiedru. Vēlāk tā pakāpeniski kļuva par indeksa optisko šķiedru.
Noteiktos darba viļņa garuma apstākļos, ja optiskajā šķiedrā ir tikai viens pārraides režīms, to sauc par viena -moda optisko šķiedru. Viena -režīma optiskā šķiedra var pārraidīt tikai pamata režīmu (aksiālo režīmu), un, pārraidot šajā režīmā, nav intermodālās izkliedes. Salīdzinājumā ar daudzmodu optisko šķiedru ar lielu skaitu augstākas-kārtības režīmu, tas ir ļoti noderīgs ātrgaitas-optisko šķiedru sakaru sistēmām.
(3) Klasifikācija pēc darba viļņa garuma: var iedalīt īsa-viļņa garuma optiskajā šķiedrā un garā-viļņa garuma optiskajā šķiedrā.
1. Īsa-viļņa garuma optiskā šķiedra: optiskās šķiedras sakaru izstrādes sākumposmā parasti izmantotais viļņa garums bija no 0,6 līdz 0,9 μm. Galvenais iemesls tajā laikā bija tas, ka pusvadītāju lāzera gaismas avoti un detektori, kas darbojās šajā viļņu garuma joslā, bija samērā nobrieduši, un galvenais produkts bija īsa-viļņa garuma optiskā šķiedra. Pašlaik to izmanto reti.
2. Garā-viļņa garuma optiskā šķiedra: pētnieciskajam darbam turpinoties, ievadot viļņu garuma joslas 1,31 μm un 1,55 μm, šīm divām viļņu garuma joslām ir zemi zudumi, nulles dispersija un minimālie lieces zuduma raksturlielumi. Tāpēc pētniecības darbs ir pakāpeniski novirzījies uz šīm divām viļņu garuma joslām, un ir parādījušās optiskās šķiedras ar labāku veiktspēju. Prakse ir pierādījusi, ka pie viļņa garuma no 1,0 līdz 2,0 μm optiskajām šķiedrām ir mazāki zudumi, salīdzinot ar īsa viļņa garuma optiskajām šķiedrām.
(4) Gara-viļņa garuma optiskās šķiedras ir īpaši piemērotas lielas-attāluma, lielas ietilpības optisko šķiedru sakariem, pateicoties to priekšrocībām, piemēram, zemam vājinājumam un plašam joslas platumam.
1. Parastā optiskā šķiedra: attiecas uz optisko šķiedru, kuras šķiedras kodols ir leģēts ar germāniju, apšuvums un serdes refrakcijas indeksa sadalījums ir apvienots noteiktā proporcijā. Tā kā šāda veida optiskajām šķiedrām ir labas īpašības un tās ir salīdzinoši viegli ražojamas, tā ir izturējusi vairākas uzlabojumu paaudzes.
Tas ir saistīts ar materiāla augsto izplešanās koeficientu ar germānu kā izejvielu. Zemā temperatūrā tas saruks un saplaisās. Radīsies spriedzes divkārša laušana, pievienojot optiskajai šķiedrai asimetriju.
2. Dispersijas-nobīdīta optiskā šķiedra: attiecas uz optisko šķiedru, kas tiek pakļauta termiskai apstrādei pēc dopinga ar germāniju, pārvietojot nulles -dispersijas punktu vienā viļņa garumā, nevis trīs vai trīs reizes viļņa garumā.
Šāda veida optiskās šķiedras ražošanas process ir salīdzinoši sarežģīts. Starp tiem serdes diametram ir jāatbilst dopinga pakāpei, lai optimizētu optisko šķiedru. Tāpēc tas vēl nav plaši izmantots."
