Στην οπτική επικοινωνία, ο οπτικός κυματοδηγός που απαιτείται για τη μετάδοση οπτικών σημάτων σε μεγάλες αποστάσεις είναι ένας κυλινδρικός διηλεκτρικός κυματοδηγός που ονομάζεται οπτική ίνα (ή απλάοπτική ίνα). Η οπτική ίνα είναι ένας διηλεκτρικός κυματοδηγός που λειτουργεί σε οπτικές συχνότητες, καθοδηγώντας την φωτεινή ενέργεια για να διαδοθεί κατά μήκος κατεύθυνσης παράλληλης προς τον άξονά της.
Δομή και ταξινόμηση των οπτικών ινών
△Η κατευθυντήρια αρχή της οπτικής ίνας
Δομή οπτικής ίνας:
Η οπτική ίνα (OF) είναι μια διαφανής διηλεκτρική ίνα που χρησιμοποιείται για την καθοδήγηση του φωτός. Μια πρακτική οπτική ίνα αποτελείται από πολλαπλά διαφανή διηλεκτρικά στρώματα. Η τυπική δομή μιας οπτικής ίνας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2-1, μπορεί να χωριστεί σε τρία στρώματα: τον πυρήνα με υψηλότερο δείκτη διάθλασης, την επένδυση με χαμηλότερο δείκτη διάθλασης και την εξωτερική επικάλυψη. Η δομή του πυρήνα και της επένδυσης πληροί τις απαιτήσεις για καθοδήγηση φωτός, ελέγχοντας τη διάδοση των κυμάτων φωτός κατά μήκος του πυρήνα. η επίστρωση έχει κυρίως προστατευτική λειτουργία (καθώς δεν καθοδηγεί το φως, μπορεί να βαφτεί σε διάφορα χρώματα).
(Εικόνα 2-1 Δομή μιας τυπικής οπτικής ίνας)
(1) Πυρήνας ίνας Ο πυρήνας της ίνας βρίσκεται στο κέντρο της οπτικής ίνας (διάμετρος 5~80μm). Η σύνθεσή του είναι διοξείδιο του πυριτίου υψηλής{4}καθαρότητας, με προστιθέμενες ιχνοστοιχίες, όπως το διοξείδιο του γερμανίου και το πεντοξείδιο του φωσφόρου. Ο σκοπός της προσθήκης αυτών των μικρών ποσοτήτων προσμείξεων είναι να αυξηθεί κατάλληλα ο δείκτης διάθλασης (n) του πυρήνα της ίνας. Για τις οπτικές ίνες επικοινωνίας, η διάμετρος του πυρήνα είναι 5~10μm (μονόμορφη ίνα) ή 50~80μm (πολυτροπική ίνα).
(2) Επένδυση: Η επένδυση βρίσκεται γύρω από τον πυρήνα της ίνας (η διάμετρός της είναι περίπου 125 μm) και η σύνθεσή της είναι επίσης διοξείδιο του πυριτίου υψηλής{2}καθαρότητας που περιέχει πολύ μικρή ποσότητα πρόσμιξης. Ο ρόλος του προσμίκτη (όπως το τριοξείδιο του βορίου) είναι να μειώνει κατάλληλα τον οπτικό δείκτη διάθλασης (n2) της επένδυσης, καθιστώντας τον ελαφρώς χαμηλότερο από τον δείκτη διάθλασης του πυρήνα της ίνας. Για την κάλυψη διαφορετικών απαιτήσεων καθοδήγησης φωτός, η επένδυση μπορεί να κατασκευαστεί ως ένα στρώμα ή πολλαπλά στρώματα.
(3) Το πιο εξωτερικό στρώμα της επικαλυμμένης οπτικής ίνας είναι μια επίστρωση που αποτελείται από ακρυλικό, καουτσούκ σιλικόνης και νάιλον, το οποίο αυξάνει τη μηχανική αντοχή και την ευκαμψία της οπτικής ίνας. Η επίστρωση γενικά χωρίζεται σε μια κύρια επίστρωση και μια δευτερεύουσα επίστρωση. Η δευτερεύουσα επίστρωση είναι ένα πρόσθετο στρώμα από θερμοπλαστικό υλικό που εφαρμόζεται πάνω από την κύρια επίστρωση, γι' αυτό ονομάζεται επίσης επένδυση. Η εξωτερική διάμετρος της επικαλυμμένης οπτικής ίνας είναι γενικά περίπου 1,5 cm.
Το πάχος του πυρήνα της ίνας, η κατανομή του δείκτη διάθλασης του υλικού του πυρήνα και ο δείκτης διάθλασης του υλικού επένδυσης παίζουν καθοριστικό ρόλο στα χαρακτηριστικά μετάδοσης της οπτικής ίνας. Το υλικό επένδυσης είναι συνήθως ένα ομοιογενές υλικό με σταθερό δείκτη διάθλασης. Εάν υπάρχουν πολλά στρώματα επένδυσης, οι δείκτες διάθλασης κάθε στρώματος επένδυσης είναι διαφορετικοί. Ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα της ίνας μπορεί να είναι ομοιόμορφος ή μπορεί να ποικίλλει κατά μήκος της ακτίνας του πυρήνα r. Επομένως, η συνάρτηση κατανομής δείκτη διάθλασης n(r) κατά μήκος της ακτίνας χρησιμοποιείται συνήθως για να χαρακτηρίσει τη μεταβολή του δείκτη διάθλασης του πυρήνα.
Ταξινόμηση οπτικών ινών:
Ακολουθεί η αγγλική μετάφραση του κειμένου από την εικόνα:
«Προς το παρόν, υπάρχουν πολλοί τύποι οπτικών ινών, αλλά οι μέθοδοι ταξινόμησής τους γενικά χωρίζονται σε 4 κατηγορίες: ταξινόμηση κατά κατανομή δείκτη διάθλασης ινών, ταξινόμηση κατά τρόπο μετάδοσης, ταξινόμηση κατά μήκος κύματος εργασίας και ταξινόμηση ανά μανδύα και υλικό επένδυσης. ίνα και πλαστική οπτική ίνα.
(1) Ταξινόμηση με βάση την κατανομή του δείκτη διάθλασης ινών: μπορεί να χωριστεί σε Βήμα Δείκτη Fiber (SIF) και Graded Index Fiber (GIF).
1.Οπτική ίνα δείκτη διάθλασης: αναφέρεται στον πυρήνα της ίνας και στην περιοχή επένδυσης όπου η κατανομή του δείκτη διάθλασης είναι ομοιόμορφη, η τιμή είναι σταθερή και η κατανομή του δείκτη διάθλασης παρουσιάζει μια δομή που μοιάζει με βαθμίδα-. Η διακύμανση του δείκτη διάθλασης είναι σαν βήμα-. Η κατανομή του δείκτη διάθλασης της οπτικής ίνας με δείκτη διάθλασης φαίνεται στο Σχήμα 2-2.
Η έκφραση κατανομής του δείκτη διάθλασης είναι:
n(r) = {n₁(r Μικρότερο ή ίσο με α₁)
{n₂ (a₁< r Μικρότερο ή ίσο με α₂)
Η οπτική ίνα με δείκτη βήματος είναι μια πρώιμη δομική μορφή οπτικής ίνας. Αργότερα, στην πολυτροπική οπτική ίνα, σταδιακά αντικαταστάθηκε από οπτική ίνα διαβαθμισμένου δείκτη (επειδή η οπτική ίνα διαβαθμισμένου δείκτη μπορεί να μειώσει σημαντικά τη διασπορά χρώματος που έχει η πολυτροπική οπτική ίνα). Ωστόσο, εξακολουθεί να είναι σχετικά κοινή η χρήση του για τη μετάδοση παλμικού φωτός σε οπτικές ίνες. Επί του παρόντος, όταν η οπτική ίνα μονής-λειτουργίας αντικαθιστά σταδιακά την πολυτροπική οπτική ίνα ως το κύριο προϊόν της εμπορικής οπτικής ίνας, η δομή οπτικών ινών με ευρετήριο βημάτων έχει γίνει η μόνη δομική μορφή οπτικής ίνας μονής-λειτουργίας - πρέπει να μοιάζει με βήμα-.
2.Οπτική ίνα διαβαθμισμένου δείκτη: αναφέρεται σε οπτική ίνα της οποίας η κατανομή του δείκτη διάθλασης ποικίλλει με την ακτίνα r. Καθώς η απόσταση από το κέντρο αυξάνεται και σταδιακά μειώνεται, η ακτίνα σταδιακά γίνεται μικρότερη. Ο κανόνας παραλλαγής του γενικά συμμορφώνεται με τον κανόνα της εκθετικής ισχύος. Όταν φτάσετε στη διεπαφή πυρήνα ινών και επένδυσης, περικόπτεται στις τιμές που αντιστοιχούν στην επένδυση. στην περιοχή επένδυσης, η κατανομή του δείκτη διάθλασης είναι ομοιόμορφη, δηλαδή n2. Η κατανομή του δείκτη διάθλασης της οπτικής ίνας διαβαθμισμένου δείκτη φαίνεται στο Σχήμα 2-3."
Η κατανομή του δείκτη διάθλασης εκφράζεται ως εξής:
"Στην εξίσωση, g είναι ο αριθμός κατανομής του δείκτη διάθλασης, αντιπροσωπεύει διαφορετικές τιμές σε διαφορετικές κατανομές δείκτη διάθλασης, n1 είναι ο δείκτης διάθλασης στο κέντρο του πυρήνα της ίνας, n2 είναι ο δείκτης διάθλασης της επένδυσης. a1 είναι η ακτίνα του πυρήνα, Δ είναι η σχετική διαφορά του δείκτη διάθλασης ({20 - n22)/2n1²=(n1 - n2)/n1.
Ο κύριος λόγος για τη μειωμένη διατροπική διασπορά της οπτικής ίνας διαβαθμισμένου δείκτη είναι ότι μειώνει τη τροπική διασπορά, επεκτείνει την απόσταση μετάδοσης και αυξάνει την ικανότητα μετάδοσης.
(2) Ταξινόμηση κατά τρόπο μετάδοσης:Μπορεί να χωριστεί σε Multi-Fiber (MMF) και Single Mode Fiber (SMF). Όπως υποδηλώνει το όνομα, η πολυτροπική οπτική ίνα μπορεί να μεταδώσει πολλαπλούς τρόπους λειτουργίας, ενώ η οπτική ίνα μονής-λειτουργίας μπορεί να μεταδώσει μόνο θεμελιώδεις λειτουργίες και λειτουργίες ηλεκτρικού πεδίου. Γενικά πιστεύεται ότι στη νέα γενιά λύσεων μετάδοσης θα πρέπει να κυριαρχεί η οπτική ίνα μονής-λειτουργίας, επειδή μπορεί να εκπέμψει πολύ μακρύτερα από την πολυτροπική οπτική ίνα. Όταν οι απώλειες και η διασπορά του μέσου μετάδοσης είναι ίδιες, η χωρητικότητα μεταφοράς πληροφοριών μετά τη διαμόρφωση μονής-λειτουργίας είναι πολύ μεγαλύτερη από εκείνη μετά τη διαμόρφωση πολλαπλών λειτουργιών.
Κάτω από ορισμένες συνθήκες μήκους κύματος εργασίας, υπάρχουν πολλοί τρόποι μετάδοσης στην οπτική ίνα και αυτοί οι τρόποι λειτουργίας ινών είναι πολυτροπικές οπτικές ίνες. Ο τροπικός δείκτης διάθλασης της πολυτροπικής οπτικής ίνας είναι περίπου ο ίδιος με τον δείκτη διάθλασης του πυρήνα της ίνας και ο αριθμός των τρόπων λειτουργίας είναι περίπου ανάλογος με το τετράγωνο του V (κανονικοποιημένη συχνότητα). Ως εκ τούτου, ονομάζεται επίσης διαβαθμισμένη πολυτροπική οπτική ίνα. Αργότερα, σταδιακά έγινε οπτική ίνα διαβαθμισμένου δείκτη.
Κάτω από ορισμένες συνθήκες μήκους κύματος λειτουργίας, εάν υπάρχει μόνο ένας τρόπος μετάδοσης στην οπτική ίνα, ονομάζεται οπτική ίνα απλής-λειτουργίας. Η οπτική ίνα μονής-λειτουργίας μπορεί να μεταδώσει μόνο τη βασική λειτουργία (αξονική λειτουργία) και δεν υπάρχει διατροπική διασπορά κατά τη μετάδοση σε αυτήν τη λειτουργία. Σε σύγκριση με την πολυτροπική οπτική ίνα με μεγάλο αριθμό λειτουργιών υψηλότερης-παραγγελίας, αυτό είναι πολύ χρήσιμο για συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών υψηλής-ταχύτητας.
(3) Ταξινόμηση ανά μήκος κύματος εργασίας: Μπορεί να χωριστεί σε οπτική ίνα μικρού μήκους κύματος-και σε οπτική ίνα μακρού-μήκους κύματος.
1.Οπτική ίνα μικρού-μήκους κύματος: Στο αρχικό στάδιο της ανάπτυξης επικοινωνίας οπτικών ινών, το συνήθως χρησιμοποιούμενο μήκος κύματος ήταν μεταξύ 0,6 ~ 0,9 μm. Ο κύριος λόγος εκείνη την εποχή ήταν ότι οι πηγές φωτός λέιζερ ημιαγωγών και οι ανιχνευτές που λειτουργούσαν σε αυτή τη ζώνη μήκους κύματος ήταν σχετικά ώριμες και η οπτική ίνα μικρού-μήκους κύματος ήταν το κύριο προϊόν. Επί του παρόντος, χρησιμοποιείται σπάνια.
2.Οπτική ίνα μακρού-μήκους κύματος: Καθώς συνεχίζονται οι ερευνητικές εργασίες, όταν εισέρχονται στις ζώνες μήκους κύματος 1,31 μm και 1,55 μm, αυτές οι δύο ζώνες μήκους κύματος έχουν χαρακτηριστικά χαμηλής απώλειας, μηδενικής διασποράς και ελάχιστης απώλειας κάμψης. Ως εκ τούτου, η ερευνητική εργασία έχει σταδιακά μετατοπιστεί προς αυτές τις δύο ζώνες μήκους κύματος και έχουν εμφανιστεί οπτικές ίνες με καλύτερη απόδοση. Οι πρακτικές έχουν αποδείξει ότι σε μήκη κύματος 1,0 ~ 2,0 μm, οι οπτικές ίνες έχουν μικρότερη απώλεια σε σύγκριση με τις οπτικές ίνες μικρού μήκους κύματος-.
(4)Οι οπτικές ίνες μεγάλου-μήκους κύματος είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για επικοινωνία οπτικών ινών μακράς-μεγάλης-χωρητικότητας λόγω των πλεονεκτημάτων τους, όπως η χαμηλή εξασθένηση και το μεγάλο εύρος ζώνης.
1. Συμβατική οπτική ίνα: αναφέρεται σε οπτική ίνα της οποίας ο πυρήνας των ινών είναι εμποτισμένος με γερμάνιο, η επένδυση και η κατανομή του δείκτη διάθλασης του πυρήνα συνδυάζονται σε μια ορισμένη αναλογία. Δεδομένου ότι αυτός ο τύπος οπτικής ίνας έχει καλά χαρακτηριστικά και είναι σχετικά εύκολος στην παραγωγή, έχει περάσει αρκετές γενιές βελτιώσεων.
Αυτό οφείλεται στον υψηλό συντελεστή διαστολής του υλικού με πρώτη ύλη το γερμάνιο. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, θα συρρικνωθεί και θα ραγίσει. Θα προκύψει διπλή διάθλαση του στρες, προσθέτοντας ασυμμετρία στην οπτική ίνα.
2.Διασπορά-μετατοπισμένη οπτική ίνα: Αναφέρεται σε οπτική ίνα που υφίσταται θερμική επεξεργασία μετά από ντόπινγκ με γερμάνιο, μετακινώντας το σημείο μηδέν-διασποράς σε ένα μήκος κύματος, όχι τρεις ή τρεις φορές το μήκος κύματος.
Η διαδικασία κατασκευής αυτού του τύπου οπτικών ινών είναι σχετικά περίπλοκη. Μεταξύ αυτών, η διάμετρος του πυρήνα πρέπει να ταιριάζει με το βαθμό ντόπινγκ για τη βελτιστοποίηση της οπτικής ίνας. Επομένως, δεν έχει χρησιμοποιηθεί ακόμη ευρέως».
