Fiberoptik: Forstå det grundlæggende

Intet har ændret kommunikationsverdenen så meget som udviklingen og implementeringen af ​​optisk fiber. Denne artikel indeholder de grundlæggende principper, der er nødvendige for at arbejde med denne teknologi.
 

Ingeniør- og marketingmedarbejdere

Optiske fibre er lavet af enten glas eller plast. De fleste har nogenlunde diameteren af ​​et menneskehår, og de kan være mange kilometer lange. Lys transmitteres langs midten af ​​fiberen fra den ene ende til den anden, og et signal kan blive pålagt. Fiberoptiske systemer er overlegne i forhold til metalliske ledere i mange applikationer. Deres største fordel er båndbredde. På grund af lysets bølgelængde er det muligt at transmittere et signal, der indeholder betydeligt mere information, end det er muligt med en metallisk leder - endda en koaksial leder. Andre fordele omfatter:

• Elektrisk isolering - Fiberoptik behøver ikke en jordforbindelse. Både senderen og modtageren er isoleret fra hinanden og er derfor fri for jordsløjfeproblemer. Der er heller ingen fare for gnister eller elektrisk stød.

• Frihed fra EMI - Fiberoptik er immun over for elektromagnetisk interferens (EMI), og de udsender ingen stråling i sig selv for at forårsage anden interferens.

• Lavt strømtab - Dette tillader længere kabelføringer og færre repeaterforstærkere.

• Lettere og mindre - Fiber vejer mindre og kræver mindre plads end metalliske ledere med tilsvarende signalbærende kapacitet.

Kobbertråd er omkring 13 gange tungere. Fiber er også lettere at installere og kræver mindre kanalplads.

Ansøgninger

Nogle af de vigtigste anvendelsesområder for optiske fibre er:

• Kommunikation – Stemme-, data- og videotransmission er de mest almindelige anvendelser af fiberoptik, og disse omfatter:

– Telekommunikation
- Lokalnetværk (LAN)
– Industrielle kontrolsystemer
– Avioniske systemer
– Militære kommando-, kontrol- og kommunikationssystemer

• Sensing - Fiberoptik kan bruges til at levere lys fra en fjernkilde til en detektor for at opnå tryk, temperatur eller spektral information. Fiberen kan også bruges direkte som en transducer til at måle en række miljøpåvirkninger, såsom belastning, tryk, elektrisk modstand og pH. Miljøændringer påvirker lysintensiteten, fasen og/eller polariseringen på måder, der kan detekteres i den anden ende af fiberen.

• Strømforsyning - Optiske fibre kan levere bemærkelsesværdigt høje niveauer af strøm til opgaver som laserskæring, svejsning, mærkning og boring.

• Belysning - Et bundt af fibre samlet med en lyskilde i den ene ende kan oplyse områder, der er svære at nå - for eksempel inde i den menneskelige krop, i forbindelse med et endoskop. De kan også bruges som et displayskilt eller blot som dekorativ belysning.

 

Figur 1. En optisk fiber består af en kerne, beklædning og belægning.

 

Konstruktion

En optisk fiber består af tre grundlæggende koncentriske elementer: kernen, beklædningen og den ydre belægning (figur 1).

Kernen er normalt lavet af glas eller plastik, selvom andre materialer undertiden bruges, afhængigt af det ønskede transmissionsspektrum.

Kernen er den lystransmitterende del af fiberen. Beklædningen er normalt lavet af samme materiale som kernen, men med et lidt lavere brydningsindeks (normalt ca. 1 % lavere). Denne indeksforskel får total intern refleksion til at forekomme ved indeksgrænsen langs fiberens længde, således at lyset transmitteres ned i fiberen og ikke slipper ud gennem sidevæggene.

 

 

Figur 2.En lysstråle, der går fra et materiale til et andet med et andet brydningsindeks, bøjes eller brydes ved grænsefladen.

Belægningen omfatter sædvanligvis et eller flere lag af et plastmateriale for at beskytte fiberen mod det fysiske miljø. Nogle gange tilføjes metalliske hylstre til belægningen for yderligere fysisk beskyttelse.

Optiske fibre er normalt specificeret ved deres størrelse, givet som den ydre diameter af kernen, beklædningen og belægningen. For eksempel vil en 62,5/125/250 referere til en fiber med en kerne på 62.5-µm diam, en 125-µm diam beklædning og en 0.{{8} }mm diam ydre belægning.

 

 

Der er 81 leverandører af fiberoptiske fibre i Photonics Marketpla

 

Principper

Optiske materialer er karakteriseret ved deres brydningsindeks, benævnt n. Et materiales brydningsindeks er forholdet mellem lysets hastighed i et vakuum og lysets hastighed i materialet. Når en lysstråle passerer fra et materiale til et andet med et andet brydningsindeks, bøjes (eller brydes) strålen ved grænsefladen (figur 2).

Brydning er beskrevet af Snells lov:

hvorn_Iogn_Rer brydningsindekserne for de materialer, hvorigennem strålen brydes ogIogRer strålens indfalds- og brydningsvinkler. Hvis indfaldsvinklen er større end den kritiske vinkel for grænsefladen (typisk omkring 82 grader for optiske fibre), reflekteres lyset tilbage i det indfaldende medium uden tab ved en proces kendt som total intern refleksion (figur 3).

Figur 3.Total intern refleksion tillader lys at forblive inde i fiberens kerne.

 

Se en videodefinition af total intern refleksion.

Tilstande

Når lys ledes ned ad en fiber (som mikrobølger ledes ned ad en bølgeleder), sker der faseforskydninger ved hver reflekterende grænse. Der er et endeligt diskret antal stier ned ad den optiske fiber (kendt som modes), der producerer konstruktive (i fase og derfor additive) faseskift, der forstærker transmissionen. Fordi hver tilstand forekommer i en anden vinkel i forhold til fiberaksen, når strålen bevæger sig langs længden, rejser hver enkelt en forskellig længde gennem fiberen fra input til output. Kun én tilstand, nulteordenstilstanden, bevæger sig langs fiberen uden refleksioner fra sidevæggene. Dette er kendt som en single-mode fiber. Det faktiske antal tilstande, der kan udbredes i en given optisk fiber, bestemmes af lysets bølgelængde og diameteren og brydningsindekset for fiberens kerne.
 

Der er flere årsager til dæmpning i en optisk fiber:

 

• Rayleigh-spredning - Variationer i mikroskopisk skala i kernematerialets brydningsindeks kan forårsage betydelig spredning i strålen, hvilket fører til betydelige tab af optisk effekt. Rayleigh-spredning er bølgelængdeafhængig og er mindre signifikant ved længere bølgelængder. Dette er den vigtigste tabsmekanisme i moderne optiske fibre, som generelt tegner sig for op til 90% af ethvert tab, der opleves.

 

• Absorption - Nuværende fremstillingsmetoder har reduceret absorption forårsaget af urenheder (især vand i fiberen) til meget lave niveauer. Inden for fiberens transmissionsbånd er absorptionstab ubetydelige.

• Bøjning - Fremstillingsmetoder kan producere små bøjninger i fibergeometrien. Nogle gange vil disse bøjninger være store nok til at få lyset i kernen til at ramme kerne/beklædningsgrænsefladen med mindre end den kritiske vinkel, så lys går tabt i beklædningsmaterialet. Dette kan også forekomme, når fiberen bøjes i en snæver radius (mindre end f.eks. nogle få centimeter). Bøjningsfølsomhed udtrykkes normalt i form af dB/km tab for en bestemt bøjningsradius og bølgelængde.

 

 

Figur 4.Numerisk blænde afhænger af den vinkel, hvormed stråler trænger ind i fiberen, og af diameteren af ​​fiberens kerne.

 

Fibertyper

Der er grundlæggende tre typer optisk fiber: enkelttilstand, multimode gradueret indeks og multimode step-index. De er kendetegnet ved den måde, lyset bevæger sig ned i fiberen og afhænger af både lysets bølgelængde og fiberens mekaniske geometri. Eksempler på, hvordan de udbreder lys, er vist i figur 5.

 

 

Vores firma har specialiseret sig i produktion af plastoptiske fibre/kabler og alle slags fiberoptiske patch-kabler, hvis du er interesseret, er du velkommen til at kontakte mig.