Optika vlaken in optični kabli se uporabljajo za prenos svetlobne energije in informacij na kratkih ali dolgih razdaljah. V zadnjih nekaj desetletjih je bila optika vlaken kombinirana s polprevodniškimi laserskimi diodami in optičnimi sprejemniki, ki omogočajo hitro rast optičnih komunikacijskih sistemov. Optična vlakna je krožni dielektrični valovodi, sestavljen iz jedra, koncentrična obloga okoli jedra in nekoliko nižji indeks loma (približno 1%). Optična vlakna so običajno izdelana iz silicijevega dioksida z dopanti, kot je GEO2, ki spreminja refrakcijski indeks silicijevega dioksida. Optični kabli vlaken zajemajo vlakno v zaščitni sloj, ki olajša ravnanje z vlakninami, zmanjša prehod med sosednjimi vlakni in prepreči poškodbe vlaken, ko ga pritisnete na grobe površine. Poleg prednosti prenosa svetlobe je omejitev svetlobe na majhno območje znotraj jedra vlaken olajšala razvoj laserjev vlaken in fotonskih kristalnih vlaken.
Osnove optike vlaken
Slika 1 Shema kritičnega kota in tir (levo). Svetloba, obsevana na vmesniku za omejevanje jedra pod kotom, večjim od kritičnega kota je ujeti znotraj jedra vlakna (desno). Razmerje med sprejemanjem kota (), NA in indeksom loma.
Slika 1 prikazuje smer vpadne svetlobe, ko naleti na vmesnik svetlobnega medija (tj. N2
Optična vlakna je krožni dielektrični valovod z jedro, ki ima večji lomni indeks kot obloga. Kot je prikazano na sliki 1, če je izpolnjen kotni pogoj TIR, bo svetloba omejena v jedru. NA iz optičnega vlakna je opredeljen kot sinus največjega vpada () svetlobe, ki se pojavi v TIR v jedru. Geometrija in sestava optičnega vlakna določata nabor diskretnih elektromagnetnih polj ali vlaken, ki se lahko širijo skozi vlakna. Načini spadajo v dve široki kategoriji: sevani in izvedeni načini. Svetloba, ki se oddaja zunaj določenega kota vlaken Na, bo vzbudila načine sevanja.
Ti načini nosijo energijo iz jedra in jo hitro razpršijo. Svetloba, ki se oddaja znotraj NA vlakna, običajno proizvaja izvedene načine, ki so omejeni na jedro. Ti načini širijo energijo vzdolž vlaken, ki oddajajo informacije in moč. Če je jedro optičnega vlakna dovolj veliko, lahko hkrati podpira številne načine prevodnosti, tj. Širjenje multimode. Ko se svetloba vpiše v optično vlakno, se načini vzbudijo v različnih stopnjah, odvisno od pogojev vpadanja (npr. Kot vhodnega stožca, velikost točke, aksialno središče) in lahko kažejo najrazličnejše prostorske porazdelitve. Tako kot prečni načini laserja imajo tudi načini najnižjega reda optičnega vlakna skoraj Gaussova prostorska porazdelitev in imajo zato številne enake prednosti. To je razlog, da se pogosto pričakuje, da bo v optičnih vlaknih vzdrževal enkratni prenos načina. Normalizirani frekvenčni parameter vlakna (znan tudi kot V-številka) je zelo uporaben tehnični parameter, ki izraža število načinov na določeni valovni dolžini na podlagi NA vlakna in polmera jedra.
Slika 2 Tipično spektralno slabljenje v kremenčevem vlaknu (levo). Ko svetloba potuje po vlakni, disperzija povzroči, da se posamezni svetlobni impulzi širijo v časovni domeni (zgoraj desno). Primer več impulzov, ki predstavljajo tok informacijskih bitov, ki postanejo neprepoznavni zaradi disperzije po širjenju (spodaj desno).
Optična moč, ki se širi skozi optična vlakna, eksponentno razpade z dolžino vlaken zaradi absorpcije in izgub razprševanja (glej sliko 2). Slabljenje je najpomembnejši dejavnik v optičnem komunikacijskem sistemu in neposredno vpliva na raven signala, ki ga je mogoče sprejeti. V regijah NIR in VIS je majhna absorpcijska izguba čistega kremena posledica repov absorpcijskih pasov v FIR in UV. Nečistoče, zlasti voda v obliki hidroksidnih ionov, so bolj prevladujoči vir absorpcije v komercialnih optičnih vlaknih. Nedavne izboljšave čistosti vlaken so zmanjšale izgubo slabljenja v vrstnem redu 0. 1 dB/km. Izguba razprševanja lahko privede tudi do slabljenja v obliki majhnih nihanj indeksa loma v vlaknu, ko je vlakno ozdravljeno, premer jedra in geometrija pa sta nepravilna.
Pasovna širina optičnega vlakna določa njegovo hitrost prenosa podatkov. Mehanizem, ki omejuje pasovno širino optičnega vlakna, se imenuje disperzija. Disperzija je širitev svetlobnih impulzov, ki se pojavljajo, ko se širijo vzdolž vlakna. Rezultat tega je, da se en impulz razteza v drugega in informacije postanejo nerazločljive (glej sliko 2).
Disperzija omejuje pasovno širino in razdaljo, nad katerimi se lahko posredujejo informacije. Obstajata dve glavni vrsti disperzije: intra-modalna disperzija in medmodalna disperzija. Obstajata dve različni vrsti intra-modalne disperzije: kromatična disperzija in polarizacijski način disperzije. Kromatska disperzija je preprosto rezultat indeksa loma materiala, ki se spreminja z valovno dolžino. Disperzija načina polarizacije je posledica ortogonalnih polarizacijskih načinov, ki potujejo z različnimi hitrostmi v vlakninah, kar je posledica birefringa. Intermodalna disperzija se pojavlja, ker različni načini širjenja potujejo z različnimi hitrostmi. Zato intermodalna disperzija velja samo za multimodna vlakna.
Slika 3 Polarizacijska kontrola v optičnem vlaknu, ki jo sproži s stiskanjem vlaken iz različnih smeri.
Načini podpore za eno mode vlaken, sestavljeni iz dveh pravokotno polariziranih načinov. To je posledica asimetrije prereza vlaken jedra. Običajno so zunanje napetosti naključne, posledična povzročena birefrednost pa pomaga motiti ali randomizirati stanja polarizacije. Posebna vlakna, imenovana vlakna, ki ohranjajo pristranskost, proizvajajo dosleden vzorec birefrinmence po svoji dolžini. To dosežemo z optimizacijo geometrije vlaknin in materialov, ki proizvajajo veliko količino stresa v eno smer. Ta velika inducirana birefrindnost prevladuje v primerjavi z naključno bizončenje, kar omogoča vzdrževanje polarizacijskega stanja med širjenjem znotraj vlakna. Nadzor polarizacijskega stanja v optičnem vlaknu je analogen nadzoru prostega prostora z uporabo valovne plošče, ki povzroči, da se faza dveh ortogonalnih polarizacijskih stanj spremeni. To dosežemo s stresom, ki jo povzroča birefriranje vlaken, kar povzroča zamudo, kar ima za posledico valovno ploščo na osnovi valov. Podobna polarizacijska naprava, vključno z stiskalnikom vlaken, ki se vrti okoli vlaken, je prikazana na sliki 3. Če pritisk na optično vlakno povzroči linearno bizovanje, ki učinkovito tvori optični valovodi z vlakno, z zamudo, ki se spreminja s pritiskom.
