Fiberoptik og fiberoptiske kabler bruges til at transmittere lysenergi og information over korte eller lange afstande. I løbet af de sidste par årtier er fiberoptik kombineret med halvlederlaserdioder og optiske modtagere for at muliggøre den hurtige vækst af fiberoptiske kommunikationssystemer. En optisk fiber er et cirkulært tværsnitsdielektrisk bølgeleder, der består af en kerne, en koncentrisk beklædning omkring kernen og et lidt lavere brydningsindeks (ca. 1%). Optiske fibre er normalt lavet af siliciumdioxid med dopingmidler, såsom GEO2, hvilket ændrer brydningsindekset for siliciumdioxid. Fiberoptiske kabler indkapsler fiberen i et beskyttende lag, der gør fiberen lettere at håndtere, reducerer krydset mellem tilstødende fibre og forhindrer skade på fiberen, når det presses mod ru overflader. Ud over fordelene ved lysoverførsel har indeslutningen af lys til et lille område inden for fiberkernen lettet udviklingen af fiberlasere og fotoniske krystalfibre.
Fundamentals of Fiber Optics
Fig. 1 Skematisk af kritisk vinkel og TIR (til venstre). Lys bestrålet ved den kernebeklædte grænseflade i en vinkel, der er større end den kritiske vinkel, fanges inde i kernen i fiberen (til højre). Forholdet mellem modtagelse af vinkel (), NA og brydningsindeks.
Figur 1 viser retningen af det indfaldende lys, når den støder på grænsefladen mellem et lys-sparse-medium (dvs. N2
En optisk fiber er en cirkulær dielektrisk bølgeleder med en kerne, der har et højere brydningsindeks end beklædningen. Som vist i figur 1, hvis TIR's vinkeltilstand er tilfreds, vil lyset være begrænset i kernen. NA af en optisk fiber er defineret som sinus af den maksimale forekomstvinkel () af Tir Incident Light in the Core.NA er et kvalitativt mål for en optisk fibers evne til at koncentrere lys og indikerer også, hvor let det er at parre lys ind i fiberen. Geometrien og sammensætningen af en optisk fiber bestemmer sættet af diskrete elektromagnetiske felter eller fibertilstande, der kan forplantes gennem fiberen. Tilstande falder i to brede kategorier: udstrålede og udførte tilstande. Lys, der udsendes uden for den specificerede vinkel på Fiber NA, vil begejstre strålingstilstande.
Disse tilstande bærer energi ud af kernen og spreder den hurtigt. Lys, der udsendes inden for fiberens NA, producerer typisk udførte tilstande, der er begrænset til kernen. Disse tilstande udbreder energi langs fiberen, transmitterende information og strøm. Hvis kernen i en optisk fiber er stor nok, kan den understøtte mange ledningsmetoder på samme tid, dvs. multimodeformering. Når lyset hændes i en optisk fiber, er tilstande glade for forskellige grader afhængigt af hændelsesbetingelserne (f.eks. Inputkeglevinkel, pletstørrelse, aksial center) og kan udvise en lang række rumlige fordelinger. Ligesom de tværgående tilstande for en laser har de laveste ordenstilstande for en optisk fiber en næsten gaussisk rumlig fordeling og har derfor mange af de samme fordele. Dette er grunden til, at det ofte forventes at opretholde transmission af enkelt tilstand i optiske fibre. Den normaliserede frekvensparameter for en fiber (også kendt som V-nummeret) er en meget nyttig teknisk parameter, der udtrykker antallet af tilstande i en given bølgelængde baseret på fiberens NA og kernens radius.
Figur 2 Typisk spektral dæmpning i en kvartsfiber (til venstre). Når lys bevæger sig langs fiberen, får spredningen individuelle lysimpulser til at udvide sig i tidsdomænet (øverst til højre). Eksempel på flere pulser, der repræsenterer en strøm af informationsbits, der bliver uigenkendelige på grund af spredning efter forplantning (nederst til højre).
Den optiske kraft, der forplantes gennem en optisk fiber, nedbrydes eksponentielt med fiberlængde på grund af absorption og spredningstab (se figur 2). Dæmpning er den vigtigste faktor i et fiberoptisk kommunikationssystem og påvirker direkte det signalniveau, der kan modtages. I NIR- og VIS -regioner skyldes det lille absorptionstab af ren silica halerne af absorptionsbåndene i FIR og UV. Urenheder, især vand i form af hydroxidioner, er en mere dominerende kilde til absorption i kommercielle optiske fibre. Nylige forbedringer i fiberrenhed har reduceret dæmpningstab i størrelsesordenen 0. 1 dB/km. Spredningstab kan også føre til dæmpning i form af små brydningsindeksfluktuationer i fiberen, når fiberen hærdes, og kernediameteren og geometrien er uregelmæssige.
Båndbredden af en optisk fiber bestemmer dens dataoverførselshastighed. Mekanismen, der begrænser båndbredden til en optisk fiber, kaldes spredning. Spredning er udvidelsen af lysimpulser, der opstår, når de forplantes langs fiberen. Resultatet er, at den ene puls strækker sig ind i en anden, og information bliver ikke skelnen (se figur 2).
Dispersion begrænser båndbredden og afstand over, hvilke oplysninger der kan overføres. Der er to hovedtyper af spredning: intramodal spredning og intermodal spredning. Der er to forskellige typer intra-modal spredning: kromatisk spredning og dispersion af polariseringstilstand. Kromatisk spredning er simpelthen resultatet af brydningsindekset for et materiale, der ændrer sig med bølgelængde. Dispersion af polariseringstilstand skyldes ortogonale polarisationstilstande, der kører i forskellige hastigheder i fiberen som et resultat af birefringence. Intermodal spredning forekommer, fordi forskellige forplantningstilstande rejser i forskellige hastigheder. Derfor gælder intermodal spredning kun for multimode -fibre.
Figur 3 Polarisationskontrol i en optisk fiber udløst ved at presse fiberen fra forskellige retninger.
Enkelt-mode fibre understøtter tilstande, der består af to ortogonalt polariserede tilstande. Dette er en konsekvens af asymmetrien af tværsnittet af fiberkernen. Typisk er de eksterne spændinger tilfældige, og den resulterende inducerede birefringence hjælper med at forstyrre eller randomisere polarisationstilstandene. Specialfibre, kaldet bias-bevarende fibre, producerer et konsistent birefringence mønster over deres længde. Dette opnås ved at optimere fiberens geometri og materialerne, der producerer en stor mængde stress i en retning. Denne store inducerede birefringence dominerer sammenlignet med tilfældig birefringence, hvilket gør det muligt at opretholde polarisationstilstanden under forplantning inden for fiberen. Kontrol af polarisationstilstanden i en optisk fiber er analog med fri plads-kontrol ved at anvende en bølgeplade, der får fasen af to ortogonale polariseringstilstande til at ændre sig. Dette opnås ved stressinduceret birefringence af fiberen, hvilket forårsager en forsinkelse, hvilket resulterer i en bølgelederbaseret bølgeplade. En lignende polarisationsindretning, inklusive en fiberpresser, der roterer rundt om fiberen, er vist i figur 3. Anvendelse af tryk på den optiske fiber producerer lineær birefringence, hvilket effektivt danner en fiberoptisk bølgeleder med en forsinkelse, der varierer med tryk.
