W komunikacji optycznej falowód wymagany do-transmisji sygnałów optycznych na duże odległości to cylindryczny falowód dielektryczny, zwany światłowodem (lub po prostuświatłowód). Światłowód to dielektryczny falowód działający w zakresie częstotliwości optycznych, kierujący energię świetlną w kierunku równoległym do jej osi.
Budowa i klasyfikacja włókien optycznych
△Zasada przewodnia światłowodu
Struktura światłowodu:
Światłowód (OF) to przezroczyste włókno dielektryczne używane do prowadzenia światła. Praktyczny światłowód składa się z wielu przezroczystych warstw dielektrycznych. Typową strukturę światłowodu, jak pokazano na rysunku 2-1, można podzielić na trzy warstwy: rdzeń o wyższym współczynniku załamania światła, płaszcz o niższym współczynniku załamania światła i powłokę zewnętrzną. Konstrukcja rdzenia i płaszcza spełnia wymagania dotyczące prowadzenia światła, kontrolując propagację fal świetlnych wzdłuż rdzenia; powłoka pełni głównie funkcję ochronną (ponieważ nie kieruje światła, można ją barwić na różne kolory).
(Rysunek 2-1 Struktura typowego światłowodu)
(1) Rdzeń światłowodu Rdzeń światłowodu znajduje się w środku światłowodu (średnica 5~80µm). Jego skład składa się z-dwutlenku krzemu o wysokiej czystości ze śladowymi ilościami domieszek, takich jak dwutlenek germanu i pięciotlenek fosforu. Celem dodania tych małych ilości domieszek jest odpowiednie zwiększenie współczynnika załamania światła (n) rdzenia światłowodu. W przypadku światłowodów komunikacyjnych średnica rdzenia wynosi 5~10µm (włókno jednomodowe) lub 50~80µm (włókno wielomodowe).
(2) Płaszcz: Płaszcz znajduje się wokół rdzenia włókna (jego średnica wynosi około 125 μm), a jego skład obejmuje również dwutlenek krzemu o wysokiej-czystości zawierający bardzo małą ilość domieszki. Rolą domieszki (np. trójtlenku boru) jest odpowiednie zmniejszenie współczynnika załamania światła (n2) płaszcza, tak aby był on nieco niższy od współczynnika załamania rdzenia światłowodu. Aby spełnić różne wymagania dotyczące przepuszczania światła, okładzina może być wykonana jako pojedyncza lub wiele warstw.
(3) Najbardziej zewnętrzną warstwą powlekanego światłowodu jest powłoka złożona z akrylanu, kauczuku silikonowego i nylonu, która zwiększa wytrzymałość mechaniczną i elastyczność światłowodu. Powłokę ogólnie dzieli się na powłokę podstawową i powłokę wtórną. Powłoka wtórna to dodatkowa warstwa materiału termoplastycznego nałożona na powłokę pierwotną, stąd nazywana jest również okładziną. Zewnętrzna średnica powlekanego światłowodu wynosi na ogół około 1,5 cm.
Grubość rdzenia światłowodu, rozkład współczynnika załamania światła materiału rdzenia i współczynnik załamania światła materiału płaszcza odgrywają decydującą rolę w charakterystyce transmisyjnej światłowodu. Materiał okładziny jest zwykle materiałem jednorodnym o stałym współczynniku załamania światła. Jeśli istnieje wiele warstw okładziny, współczynniki załamania światła każdej warstwy okładziny są różne. Współczynnik załamania rdzenia światłowodu może być jednolity lub zmieniać się wzdłuż promienia rdzenia r. Dlatego do scharakteryzowania zmiany współczynnika załamania rdzenia powszechnie stosuje się funkcję rozkładu współczynnika załamania światła n(r) wzdłuż promienia.
Klasyfikacja włókien optycznych:
Oto angielskie tłumaczenie tekstu z obrazka:
„Obecnie istnieje wiele rodzajów włókien optycznych, ale metody ich klasyfikacji ogólnie dzieli się na 4 kategorie: klasyfikacja według rozkładu współczynnika załamania światła światłowodu, klasyfikacja według trybu transmisji, klasyfikacja według roboczej długości fali oraz klasyfikacja według materiału płaszcza i okładziny. Ponadto, zgodnie ze składem składników światłowodu, oprócz najczęściej stosowanego światłowodu krzemionkowego, wyróżnia się również światłowód fluorkowy i światłowód plastikowy.
(1) Klasyfikacja według rozkładu współczynnika załamania światła włókna: można podzielić na włókno o współczynniku stopniowym (SIF) i włókno o stopniowanym współczynniku załamania światła (GIF).
1. Światłowód o współczynniku załamania światła: odnosi się do rdzenia światłowodu i obszaru płaszcza, w którym rozkład współczynnika załamania światła jest równomierny, wartość jest stała, a rozkład współczynnika załamania światła ma schodkową-strukturę warstwową. Zmiana współczynnika załamania światła jest krokowa-. Rozkład współczynnika załamania światła światłowodu o współczynniku schodkowym pokazano na rysunku 2-2.
Jego wyrażenie rozkładu współczynnika załamania światła to:
n(r) = {n₁(r Mniejszy lub równy a₁)
{n₂ (a₁< r Mniejszy lub równy a₂)
Światłowód o indeksie stopniowym jest wczesną strukturalną formą światłowodu. Później, w światłowodzie wielomodowym, został on stopniowo zastąpiony światłowodem o stopniowanym indeksie (ponieważ światłowód o stopniowanym indeksie może znacznie zmniejszyć modalne rozproszenie kolorów, jakie ma światłowód wielomodowy). Jednak nadal stosunkowo powszechnie wykorzystuje się go do transmisji światła pulsacyjnego w światłowodach. Obecnie, gdy światłowód jedno-modowy stopniowo zastępuje światłowód wielomodowy jako główny produkt komercyjnego światłowodu, struktura światłowodu o indeksie schodkowym stała się jedyną strukturalną formą światłowodu jedno-modowego -, który musi mieć-schodkowy charakter.
2. Światłowód o stopniowanym współczynniku: odnosi się do światłowodu, którego rozkład współczynnika załamania światła zmienia się wraz z promieniem r. W miarę zwiększania się i zmniejszania odległości od środka promień stopniowo się zmniejsza. Jego reguła zmienności jest ogólnie zgodna z regułą wykładniczą potęgi. Po dotarciu do granicy rdzenia światłowodu i płaszcza jest ona obcinana do wartości odpowiadających płaszczowi; w obszarze płaszcza rozkład współczynnika załamania światła jest równomierny, to znaczy n₂. Rozkład współczynnika załamania światła światłowodu o stopniowanym współczynniku pokazano na rysunku 2-3.
Rozkład współczynnika załamania światła wyraża się w następujący sposób:
„W równaniu g jest liczbą rozkładu współczynnika załamania światła; reprezentuje różne wartości przy różnych rozkładach współczynnika załamania światła; n₁ jest współczynnikiem załamania światła w środku rdzenia światłowodu; n₂ jest współczynnikiem załamania płaszcza; a₁ jest promieniem rdzenia; Δ jest względną różnicą współczynnika załamania światła, Δ=(n₁² - n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
Główną przyczyną zmniejszonej dyspersji intermodalnej światłowodu o stopniowanym indeksie jest to, że zmniejsza ona dyspersję modową, wydłuża odległość transmisji i zwiększa wydajność transmisji.
(2) Klasyfikacja według trybu transmisji:Można je podzielić na światłowód wielo-modowy (MMF) i światłowód jednomodowy (SMF). Jak sama nazwa wskazuje, światłowód wielomodowy może przesyłać wiele modów, podczas gdy światłowód jednomodowy-może przesyłać tylko modę podstawową i modę pola elektrycznego. Powszechnie uważa się, że w nowej generacji rozwiązań transmisyjnych powinien dominować światłowód jedno-modowy, ponieważ może przesyłać znacznie dalej niż światłowód wielomodowy. Gdy straty i rozproszenie medium transmisyjnego są takie same, pojemność informacji po modulacji jedno-modowej jest znacznie większa niż po modulacji wielomodowej.
W pewnych warunkach długości fali roboczej w światłowodzie istnieje wiele trybów transmisji, a te mody światłowodowe są światłowodami wielomodowymi. Modalny współczynnik załamania światła światłowodu wielomodowego jest w przybliżeniu taki sam jak współczynnik załamania rdzenia światłowodu, a liczba modów jest w przybliżeniu proporcjonalna do kwadratu V (znormalizowana częstotliwość). Dlatego nazywany jest również stopniowanym światłowodem wielomodowym. Później stopniowo stał się światłowodem o stopniowanym indeksie.
W pewnych warunkach długości fali roboczej, jeśli w światłowodzie występuje tylko jeden tryb transmisji, nazywa się to światłowód jednomodowy-. Światłowód jednomodowy może transmitować tylko mod podstawowy (tryb osiowy) i podczas transmisji w tym trybie nie występuje dyspersja intermodalna. W porównaniu ze światłowodem wielomodowym z dużą liczbą trybów-wyższego rzędu, jest to bardzo przydatne w przypadku-szybkich systemów komunikacji światłowodowej.
(3) Klasyfikacja według roboczej długości fali: można podzielić na światłowód o-krótkiej długości fali i światłowód o-długiej długości fali.
1. Światłowód-o krótkiej długości fali: na początkowym etapie rozwoju komunikacji światłowodowej powszechnie stosowana długość fali wynosiła od 0,6 do 0,9 μm. Głównym powodem było to, że półprzewodnikowe laserowe źródła światła i detektory działające w tym paśmie długości fali były stosunkowo dojrzałe, a głównym produktem był światłowód-o krótkiej długości fali. Obecnie jest rzadko używany.
2. Światłowód o-długiej długości fali: w miarę kontynuacji prac badawczych, wchodząc w pasma długości fal 1,31 μm i 1,55 μm, te dwa pasma fal wykazały niskie straty, zerową dyspersję i minimalne straty zginania. Dlatego też prace badawcze stopniowo przesuwały się w stronę tych dwóch zakresów długości fali i pojawiły się światłowody o lepszych parametrach. Praktyka wykazała, że przy długościach fal od 1,0 do 2,0 μm światłowody mają mniejsze straty w porównaniu ze światłowodami o krótkich-falach.
(4)Włókna światłowodowe o-długościach fali szczególnie nadają się do komunikacji światłowodowej-na duże odległości i o dużej-przepustowości ze względu na ich zalety, takie jak niskie tłumienie i szerokie pasmo.
1. Konwencjonalny światłowód: odnosi się do światłowodu, którego rdzeń światłowodowy jest domieszkowany germanem, płaszcz i rozkład współczynnika załamania światła rdzenia są połączone w pewnym stosunku. Ponieważ ten typ światłowodu ma dobre właściwości i jest stosunkowo łatwy w produkcji, przeszedł kilka generacji ulepszeń.
Wynika to z wysokiego współczynnika rozszerzalności materiału, którego surowcem jest german. W niskich temperaturach kurczy się i pęka. Wystąpi dwójłomność naprężenia, zwiększając asymetrię światłowodu.
2. Światłowód-z przesuniętą dyspersją: odnosi się do światłowodu, który jest poddawany obróbce cieplnej po domieszkowaniu germanem, przesuwając punkt zerowej-dyspersyjnej na jedną długość fali, a nie trzy lub trzy razy większą długość fali.
Proces wytwarzania tego typu światłowodu jest stosunkowo skomplikowany. Wśród nich średnica rdzenia musi odpowiadać stopniowi domieszkowania, aby zoptymalizować światłowód. Dlatego nie był jeszcze powszechnie stosowany.”
