Fiberoptikk: Forstå det grunnleggende

Ingenting har endret kommunikasjonsverdenen så mye som utviklingen og implementeringen av optisk fiber. Denne artikkelen inneholder de grunnleggende prinsippene som trengs for å arbeide med denne teknologien.
 

Ingeniør- og markedsmedarbeidere

Optiske fibre er laget av enten glass eller plast. De fleste er omtrent samme diameter som et menneskehår, og de kan være mange kilometer lange. Lys sendes langs midten av fiberen fra den ene enden til den andre, og et signal kan bli pålagt. Fiberoptiske systemer er overlegne metalliske ledere i mange bruksområder. Deres største fordel er båndbredde. På grunn av lysets bølgelengde er det mulig å overføre et signal som inneholder betydelig mer informasjon enn det som er mulig med en metallisk leder - til og med en koaksial leder. Andre fordeler inkluderer:

• Elektrisk isolasjon - Fiberoptikk trenger ikke jordforbindelse. Både senderen og mottakeren er isolert fra hverandre og er derfor fri for jordsløyfeproblemer. Det er heller ingen fare for gnister eller elektrisk støt.

• Frihet fra EMI - Fiberoptikk er immun mot elektromagnetisk interferens (EMI), og de sender ikke ut stråling selv for å forårsake annen interferens.

• Lavt strømtap - Dette tillater lengre kabelføringer og færre repeaterforsterkere.

• Lettere og mindre - Fiber veier mindre og trenger mindre plass enn metalliske ledere med tilsvarende signalbærende kapasitet.

Kobbertråd er omtrent 13 ganger tyngre. Fiber er også lettere å installere og krever mindre kanalplass.

Søknader

Noen av de viktigste bruksområdene for optiske fibre er:

• Kommunikasjon – Tale-, data- og videooverføring er de vanligste bruksområdene for fiberoptikk, og disse inkluderer:

– Telekommunikasjon
– Lokale nettverk (LAN)
– Industrielle kontrollsystemer
– Avioniske systemer
– Militære kommando-, kontroll- og kommunikasjonssystemer

• Sensing - Fiberoptikk kan brukes til å levere lys fra en ekstern kilde til en detektor for å få informasjon om trykk, temperatur eller spektral. Fiberen kan også brukes direkte som en transduser for å måle en rekke miljøeffekter, som tøyning, trykk, elektrisk motstand og pH. Miljøendringer påvirker lysintensiteten, fasen og/eller polariseringen på måter som kan detekteres i den andre enden av fiberen.

• Kraftlevering - Optiske fibre kan levere bemerkelsesverdig høye kraftnivåer for oppgaver som laserskjæring, sveising, merking og boring.

• Belysning - En bunt med fibre samlet sammen med en lyskilde i den ene enden kan lyse opp områder som er vanskelig å nå - for eksempel inne i menneskekroppen, i forbindelse med et endoskop. De kan også brukes som et displayskilt eller bare som dekorativ belysning.

 

Figur 1. En optisk fiber består av en kjerne, kledning og belegg.

 

Konstruksjon

En optisk fiber består av tre grunnleggende konsentriske elementer: kjernen, kledningen og det ytre belegget (Figur 1).

Kjernen er vanligvis laget av glass eller plast, selv om andre materialer noen ganger brukes, avhengig av ønsket overføringsspektrum.

Kjernen er den lystransmitterende delen av fiberen. Kledningen er vanligvis laget av samme materiale som kjernen, men med en litt lavere brytningsindeks (vanligvis ca. 1 % lavere). Denne indeksforskjellen fører til at total intern refleksjon oppstår ved indeksgrensen langs fiberens lengde slik at lyset sendes nedover fiberen og ikke slipper ut gjennom sideveggene.

 

 

Figur 2.En lysstråle som går fra et materiale til et annet med en annen brytningsindeks, bøyes eller brytes ved grensesnittet.

Belegget omfatter vanligvis ett eller flere lag av et plastmateriale for å beskytte fiberen mot det fysiske miljøet. Noen ganger legges metalliske kapper til belegget for ytterligere fysisk beskyttelse.

Optiske fibre er vanligvis spesifisert av størrelsen, gitt som den ytre diameteren til kjernen, kledningen og belegget. For eksempel vil en 62,5/125/250 referere til en fiber med en 62.5-µm diam kjerne, en 125-µm diam kledning og en 0.{{8} }mm diam ytre belegg.

 

 

Det er 81 leverandører av fiberoptiske fibre i Photonics Marketpla

 

Prinsipper

Optiske materialer er preget av deres brytningsindeks, referert til som n. Et materiales brytningsindeks er forholdet mellom lyshastigheten i et vakuum og lysets hastighet i materialet. Når en lysstråle går fra et materiale til et annet med en annen brytningsindeks, bøyes (eller brytes) strålen ved grensesnittet (Figur 2).

Refraksjon er beskrevet av Snells lov:

hvorn_Iogn_Rer brytningsindeksene til materialene som strålen brytes gjennom ogIogRer innfalls- og brytningsvinklene til strålen. Hvis innfallsvinkelen er større enn den kritiske vinkelen for grensesnittet (typisk ca. 82 grader for optiske fibre), reflekteres lyset tilbake til det innfallende mediet uten tap ved en prosess kjent som total intern refleksjon (Figur 3).

Figur 3.Total intern refleksjon lar lys forbli inne i fiberkjernen.

 

Se en videodefinisjon av total intern refleksjon.

Modi

Når lys ledes nedover en fiber (som mikrobølger ledes nedover en bølgeleder), oppstår faseforskyvninger ved hver reflekterende grense. Det er et begrenset diskret antall baner nedover den optiske fiberen (kjent som moduser) som produserer konstruktive (i fase og derfor additive) faseskift som forsterker overføringen. Fordi hver modus forekommer i en annen vinkel i forhold til fiberaksen når strålen beveger seg langs lengden, beveger hver enkelt en forskjellig lengde gjennom fiberen fra inngangen til utgangen. Bare én modus, nullordensmodusen, beveger seg langs fiberen uten refleksjoner fra sideveggene. Dette er kjent som en enkeltmodusfiber. Det faktiske antallet moduser som kan forplantes i en gitt optisk fiber bestemmes av bølgelengden til lys og diameteren og brytningsindeksen til fiberkjernen.
 

Det er flere årsaker til dempning i en optisk fiber:

 

• Rayleigh-spredning - Variasjoner i mikroskopisk skala i brytningsindeksen til kjernematerialet kan forårsake betydelig spredning i strålen, noe som fører til betydelige tap av optisk kraft. Rayleigh-spredning er bølgelengdeavhengig og er mindre signifikant ved lengre bølgelengder. Dette er den viktigste tapsmekanismen i moderne optiske fibre, og utgjør vanligvis opptil 90 % av tapet som oppleves.

 

• Absorpsjon - Nåværende produksjonsmetoder har redusert absorpsjon forårsaket av urenheter (særlig vann i fiberen) til svært lave nivåer. Innenfor overføringsbåndet til fiberen er absorpsjonstap ubetydelige.

• Bøyning - Fremstillingsmetoder kan gi små bøyninger i fibergeometrien. Noen ganger vil disse bøyningene være store nok til å få lyset i kjernen til å treffe grensesnittet mellom kjerne og kledning ved mindre enn den kritiske vinkelen slik at lys går tapt inn i kledningsmaterialet. Dette kan også oppstå når fiberen bøyes i en tett radius (mindre enn for eksempel noen få centimeter). Bøyefølsomhet uttrykkes vanligvis i form av dB/km tap for en bestemt bøyeradius og bølgelengde.

 

 

Figur 4.Numerisk blenderåpning avhenger av vinkelen som stråler kommer inn i fiberen med og av diameteren til fiberens kjerne.

 

Fibertyper

Det er i hovedsak tre typer optisk fiber: enkeltmodus, multimodus gradert indeks og multimodus trinnindeks. De er preget av måten lyset beveger seg nedover fiberen og avhenger av både bølgelengden til lyset og fiberens mekaniske geometri. Eksempler på hvordan de forplanter lys er vist i figur 5.

 

 

Vårt firma spesialiserer seg på produksjon av plastoptiske fibre/kabler og alle slags fiberoptiske patchledninger, hvis du er interessert, vennligst kontakt meg.