Vid optisk kommunikation är den optiska vågledaren som krävs för långdistansöverföring av optiska signaler en cylindrisk dielektrisk vågledare som kallas en optisk fiber (eller helt enkeltoptisk fiber). Optisk fiber är en dielektrisk vågledare som arbetar vid optiska frekvenser, som styr ljusenergi att fortplanta sig längs en riktning parallell med dess axel.
Struktur och klassificering av optiska fibrer
△Den vägledande principen för optisk fiber
Struktur för optisk fiber:
Optisk fiber (OF) är en transparent dielektrisk fiber som används för att styra ljus. En praktisk optisk fiber är sammansatt av flera transparenta dielektriska skikt. Den typiska strukturen för en optisk fiber, som visas i figur 2-1, kan delas in i tre lager: kärnan med ett högre brytningsindex, beklädnaden med ett lägre brytningsindex och den yttre beläggningen. Strukturen av kärnan och beklädnaden uppfyller kraven för ljusstyrning, kontrollerar utbredningen av ljusvågor längs kärnan; beläggningen tjänar huvudsakligen en skyddande funktion (eftersom den inte styr ljus kan den färgas i olika färger).
(Figur 2-1 Struktur för en typisk optisk fiber)
(1) Fiberkärna Fiberkärnan är placerad i mitten av den optiska fibern (diameter 5~80µm). Dess sammansättning är kiseldioxid med hög -renhet, med spårmängder av dopämnen som germaniumdioxid och fosforpentoxid tillsatta. Syftet med att tillsätta dessa små mängder dopämnen är att på lämpligt sätt öka brytningsindex (n) för fiberkärnan. För optiska kommunikationsfibrer är kärndiametern 5~10 µm (single-mode fiber) eller 50~80µm (multimodfiber).
(2) Beklädnad: Beklädnaden är placerad runt fiberkärnan (dess diameter är cirka 125 μm), och dess sammansättning är också hög-ren kiseldioxid som innehåller en mycket liten mängd dopningsmedel. Dopmedlets roll (såsom bortrioxid) är att på lämpligt sätt reducera det optiska brytningsindexet (n2) för kapslingen, vilket gör det något lägre än brytningsindexet för fiberkärnan. För att möta olika ljusstyrningskrav kan beklädnaden göras som ett eller flera lager.
(3) Det yttersta lagret av den belagda optiska fibern är en beläggning som består av akrylat, silikongummi och nylon, vilket ökar den optiska fiberns mekaniska styrka och flexibilitet. Beläggningen är i allmänhet uppdelad i en primär beläggning och en sekundär beläggning. Den sekundära beläggningen är ett ytterligare skikt av termoplastiskt material som appliceras över den primära beläggningen, därför kallas det också en beklädnad. Ytterdiametern för den belagda optiska fibern är i allmänhet ca 1,5 cm.
Fiberkärnans tjocklek, kärnmaterialets brytningsindexfördelning och beklädnadsmaterialets brytningsindex spelar en avgörande roll för den optiska fiberns transmissionsegenskaper. Beklädnadsmaterialet är vanligtvis ett homogent material med konstant brytningsindex. Om det finns flera beklädnadsskikt är brytningsindexen för varje beklädnadsskikt olika. Brytningsindexet för fiberkärnan kan vara enhetligt eller det kan variera längs kärnans radie r. Därför används brytningsindexfördelningsfunktionen n(r) längs radien vanligen för att karakterisera förändringen i kärnets brytningsindex.
Klassificering av optiska fibrer:
Här är den engelska översättningen av texten från bilden:
"För närvarande finns det många typer av optiska fibrer, men deras klassificeringsmetoder är generellt indelade i 4 kategorier: klassificering efter fiberbrytningsindexfördelning, klassificering efter transmissionsläge, klassificering efter arbetsvåglängd och klassificering efter mantel och beklädnadsmaterial. Dessutom, enligt sammansättningen av optiska fiberkomponenter, finns det förutom de vanligaste optiska fibrerna av kiseldioxid och optiska fibrer av fluorid.
(1) Klassificering efter fiberbrytningsindexfördelning: kan delas in i Step Index Fiber (SIF) och Graded Index Fiber (GIF).
1. Stegindex optisk fiber: hänvisar till fiberkärnan och beklädnadsområdet där brytningsindexfördelningen är enhetlig, värdet är en konstant och brytningsindexfördelningen presenterar en steg-liknande skiktstruktur. Variationen av brytningsindex är steg-liknande. Brytningsindexfördelningen för optisk fiber med stegindex visas i figur 2-2.
Dess brytningsindexfördelningsuttryck är:
n(r) = {n₁(r Mindre än eller lika med a₁)
{n₂ (a₁< r Mindre än eller lika med a₂)
Stegindex optisk fiber är en tidig strukturell form av optisk fiber. Senare, i multimode optisk fiber, ersattes den gradvis av graderad index optisk fiber (eftersom graderad index optisk fiber avsevärt kan minska den modala färgspridningen som multimode optisk fiber har). Det är dock fortfarande relativt vanligt att använda den för att överföra pulsat ljus i optiska fibrer. För närvarande, när optisk fiber med enkel-mod gradvis ersätter multimodoptisk fiber som huvudprodukten av kommersiell optisk fiber, har optisk fiberstruktur med stegindex blivit den enda strukturella formen av enkel-optisk fiber - den måste vara steg-liknande.
2. Optisk fiber med graderat index: avser optisk fiber vars brytningsindexfördelning varierar med radien r. När avståndet från centrum ökar och gradvis minskar, blir radien gradvis mindre. Dess variationsregel överensstämmer i allmänhet med maktexponentialregeln. När fiberkärnan och beklädnadsgränsytan nås, stympas den till de värden som motsvarar beklädnaden; i beklädnadsområdet är dess brytningsindexfördelning enhetlig, det vill säga n2. Brytningsindexfördelningen för optisk fiber med graderad index visas i figur 2-3."
Dess brytningsindexfördelning uttrycks enligt följande:
"I ekvationen är g brytningsindexfördelningsnumret; det representerar olika värden vid olika brytningsindexfördelningar; n₁ är brytningsindexet i centrum av fiberkärnan; n₂ är brytningsindexet för kapslingen; a₁ är kärnradien; Δ₁ är det relativa brytningsindexet {{}}} (n{1}0,}² n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
Huvudorsaken till den minskade intermodala spridningen av optisk fiber med graderad index är att den minskar modal spridning, förlänger överföringsavståndet och ökar överföringskapaciteten.
(2) Klassificering efter överföringsläge:Kan delas in i Multi-Mode Fiber (MMF) och Single Mode Fiber (SMF). Som namnet antyder kan optisk fiber med flera lägen sända flera lägen, medan optisk fiber med enkel-läge endast kan sända grundläge och elektriska fältlägen. Det anses allmänt att den nya generationen överföringslösningar bör domineras av enkel-optisk fiber eftersom den kan sända mycket längre än optisk multimodfiber. När överföringsmediets förlust och spridning är desamma är informationskapaciteten efter enkel-modulation mycket högre än den efter multimodmodulering.
Under vissa arbetsvåglängdsförhållanden finns det många överföringslägen i optisk fiber, och dessa fiberlägen är optiska fibrer med flera moder. Det modala brytningsindexet för optisk fiber med flera moder är ungefär detsamma som brytningsindexet för fiberkärnan, och antalet moder är ungefärligen proportionellt mot kvadraten på V (normaliserad frekvens). Därför kallas det också graderad multimode optisk fiber. Senare blev det gradvis graderad index optisk fiber.
Under vissa arbetsvåglängdsförhållanden, om det bara finns ett överföringsläge i den optiska fibern, kallas det enkel-optisk fiber. Enkel-optisk fiber kan bara sända grundläget (axiellt läge), och det finns ingen intermodal spridning vid sändning i detta läge. Jämfört med multimode optisk fiber med ett stort antal högre-lägen är detta mycket användbart för hög-optisk fiberkommunikationssystem.
(3) Klassificering efter arbetsvåglängd: Kan delas in i kort-optisk fiber med kort våglängd och optisk fiber med lång-våglängd.
1. Optisk fiber med kort-våglängd: I det inledande skedet av utvecklingen av optisk fiberkommunikation var den vanliga våglängden mellan 0,6 ~ 0,9 μm. Den främsta anledningen vid den tiden var att halvledarlaserljuskällor och detektorer som arbetade i detta våglängdsband var relativt mogna och optisk fiber med kort-våglängd var huvudprodukten. För närvarande används den sällan.
2.Lång-optisk fiber: När forskningsarbetet fortsätter, när man går in i våglängdsbanden på 1,31 μm och 1,55 μm, har dessa två våglängdsband visat låga förluster, noll dispersion och minimala böjförlustegenskaper. Därför har forskningsarbetet gradvis skiftat mot dessa två våglängdsband, och optiska fibrer med bättre prestanda har uppstått. Praxis har visat att vid våglängder på 1,0 ~ 2,0 μm har optiska fibrer lägre förlust jämfört med optiska fibrer med korta-våglängder.
(4)Långa-optiska fibrer är särskilt lämpliga för lång-distans, hög-optisk fiberkommunikation på grund av deras fördelar som låg dämpning och bred bandbredd.
1. Konventionell optisk fiber: avser optisk fiber vars fiberkärna är dopad med germanium, beklädnad och kärnans brytningsindexfördelning kombineras i ett visst förhållande. Eftersom denna typ av optisk fiber har goda egenskaper och är relativt lätt att tillverka, har den passerat flera generationer av förbättringar.
Detta beror på materialets höga expansionskoefficient med germanium som råvara. Vid låga temperaturer kommer den att krympa och spricka. Spänningsdubbelbrytning kommer att uppstå, vilket tillför asymmetri till den optiska fibern.
2.Dispersion-förskjuten optisk fiber: Avser optisk fiber som genomgår värmebehandling efter dopning med germanium, vilket flyttar noll-spridningspunkten till en våglängd, inte tre eller tre gånger våglängden.
Tillverkningsprocessen för denna typ av optisk fiber är relativt komplicerad. Bland dem måste kärndiametern matcha dopningsgraden för att optimera den optiska fibern. Därför har den inte använts i stor utsträckning än."
