В оптичному зв’язку оптичним хвилеводом, необхідним для-передачі оптичних сигналів на великі відстані, є циліндричний діелектричний хвилевід, який називається оптичним волокном (або простооптичне волокно). Оптичне волокно — це діелектричний хвилевід, який працює на оптичних частотах, направляючи світлову енергію для поширення вздовж напрямку, паралельного його осі.
Будова та класифікація світловодів
△Керівний принцип оптичного волокна
Структура оптичного волокна:
Оптичне волокно (OF) — це прозоре діелектричне волокно, яке використовується для направлення світла. Практичне оптичне волокно складається з кількох прозорих діелектричних шарів. Типову структуру оптичного волокна, як показано на малюнку 2-1, можна розділити на три шари: серцевина з вищим показником заломлення, оболонка з нижчим показником заломлення та зовнішнє покриття. Структура серцевини та оболонки відповідає вимогам до світловоду, контролю поширення світлових хвиль вздовж серцевини; покриття в основному виконує захисну функцію (оскільки воно не пропускає світло, його можна фарбувати в різні кольори).
(Малюнок 2-1 Структура типового оптичного волокна)
(1) Серцевина волокна Серцевина волокна розташована в центрі оптичного волокна (діаметр 5~80 мкм). Його склад складається з -діоксиду кремнію високої чистоти з додаванням слідових кількостей легуючих добавок, таких як діоксид германію та п’ятиоксид фосфору. Метою додавання цих невеликих кількостей легуючих добавок є відповідне збільшення показника заломлення (n) серцевини волокна. Для комунікаційних оптичних волокон діаметр серцевини становить 5~10 мкм (одномодове волокно-) або 50~80 мкм (багатомодове волокно).
(2) Обшивка: оболонка розташована навколо серцевини волокна (її діаметр становить приблизно 125 мкм), і її склад також складається з -діоксиду кремнію високої чистоти, що містить дуже невелику кількість легуючої добавки. Роль легуючої домішки (наприклад, триоксиду бору) полягає в належному зменшенні оптичного показника заломлення (n2) оболонки, роблячи його трохи нижчим за показник заломлення серцевини волокна. Щоб задовольнити різні вимоги до світловоду, облицювання може бути одношаровим або багатошаровим.
(3) Зовнішній шар оптичного волокна з покриттям — це покриття, що складається з акрилату, силіконового каучуку та нейлону, що підвищує механічну міцність і гнучкість оптичного волокна. Покриття зазвичай поділяють на основне покриття та вторинне покриття. Вторинне покриття — це додатковий шар термопластичного матеріалу, нанесений на основне покриття, тому його ще називають обшивкою. Зовнішній діаметр оптичного волокна з покриттям зазвичай становить приблизно 1,5 см.
Товщина серцевини волокна, розподіл показника заломлення матеріалу серцевини та показник заломлення матеріалу оболонки відіграють вирішальну роль у характеристиках передачі оптичного волокна. Облицювальний матеріал зазвичай є однорідним матеріалом з постійним показником заломлення. Якщо є кілька шарів оболонки, показники заломлення кожного шару оболонки різні. Показник заломлення серцевини волокна може бути рівномірним або змінюватися вздовж радіуса серцевини r. Тому функція розподілу показника заломлення n(r) уздовж радіуса зазвичай використовується для характеристики зміни показника заломлення ядра.
Класифікація оптичних волокон:
Ось англійський переклад тексту із зображення:
«На даний момент існує багато типів оптичних волокон, але їх методи класифікації зазвичай поділяються на 4 категорії: класифікація за розподілом показника заломлення волокна, класифікація за способом передачі, класифікація за робочою довжиною хвилі та класифікація за матеріалом оболонки та оболонки. Крім того, відповідно до складу компонентів оптичного волокна, крім найбільш часто використовуваного оптичного волокна з кремнезему, є також оптичне волокно з фторидом і пластикове оптичне волокно.
(1) Класифікація за розподілом показника заломлення волокна: можна розділити на волокно зі ступінчастим індексом (SIF) і волокно з градуованим індексом (GIF).
1. Оптичне волокно з індексом заломлення: стосується серцевини та оболонки волокна, де розподіл показника заломлення рівномірний, значення є постійним, а розподіл показника заломлення представляє ступінчасту -шарувату структуру. Зміна показника заломлення є ступінчастою-. Розподіл показника заломлення ступінчастого оптичного волокна показано на малюнку 2-2.
Вираз розподілу його показника заломлення:
n(r) = {n₁(r Менше або дорівнює a₁)
{n₂ (a₁< r Менше або дорівнює a₂)
Оптичне волокно з індексом кроку є ранньою структурною формою оптичного волокна. Пізніше в багатомодовому оптичному волокні його поступово замінили оптичним волокном із градуйованим індексом (оскільки оптичне волокно з градуйованим індексом може значно зменшити модальну дисперсію кольорів, яку має багатомодове оптичне волокно). Однак його використання для передачі імпульсного світла в оптичних волокнах все ще досить поширене. Наразі, коли одномодове-оптичне волокно поступово замінює багатомодове оптичне волокно як основний продукт комерційного оптичного волокна, структура оптичного волокна зі ступінчастим індексом стала єдиною структурною формою одномодового-оптичного волокна - воно має бути ступінчастим-.
2. Оптичне волокно з градуйованим індексом: відноситься до оптичного волокна, розподіл показника заломлення якого змінюється залежно від радіуса r. Зі збільшенням і поступовим зменшенням відстані від центру радіус поступово зменшується. Його правило варіації загалом відповідає правилу експоненціального ступеня. При досягненні межі серцевини волокна та оболонки вона скорочується до значень, що відповідають оболонці; в області оболонки його розподіл показника заломлення рівномірний, тобто n₂. Розподіл показника заломлення оптичного волокна зі змінним показником показаний на малюнку 2-3.
Його розподіл показника заломлення виражається наступним чином:
«У рівнянні g — це число розподілу показника заломлення; воно представляє різні значення при різних розподілах показника заломлення; n₁ — показник заломлення в центрі серцевини волокна; n₂ — показник заломлення оболонки; a₁ — радіус серцевини; Δ — відносна різниця показників заломлення, Δ=(n₁² - n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
Основною причиною зменшення інтермодальної дисперсії оптичного волокна з градуйованим індексом є те, що воно зменшує модальну дисперсію, збільшує відстань передачі та збільшує пропускну здатність.
(2) Класифікація за способом передачі:Можна розділити на багато-модове волокно (MMF) і одномодове волокно (SMF). Як випливає з назви, багатомодове оптичне волокно може передавати кілька мод, тоді як одномодове-оптичне волокно може передавати лише основні моди та моди електричного поля. Загальноприйнято вважати, що в новому поколінні рішень передачі має домінувати одномодове-оптичне волокно, оскільки воно може передавати набагато далі, ніж багатомодове оптичне волокно. Коли втрати та дисперсія в середовищі передачі однакові, пропускна здатність інформації після одномодової-модуляції набагато вища, ніж після багатомодової модуляції.
За певних робочих умов довжини хвилі існує багато режимів передачі в оптичному волокні, і ці режими волокна є багатомодовими оптичними волокнами. Модальний показник заломлення багатомодового оптичного волокна приблизно такий же, як показник заломлення серцевини волокна, а кількість мод приблизно пропорційна квадрату V (нормалізована частота). Тому його також називають градуйованим багатомодовим оптичним волокном. Пізніше воно поступово перетворилося на оптичне волокно з градуйованим індексом.
За певних робочих умов довжини хвилі, якщо в оптичному волокні є лише один режим передачі, воно називається одномодовим-оптичним волокном. Одно{2}}модове оптичне волокно може передавати лише основний режим (осьовий режим), і під час передачі в цьому режимі немає інтермодальної дисперсії. Порівняно з багатомодовим оптичним волокном із великою кількістю мод-вищого порядку, це дуже корисно для високошвидкісних волоконно-оптичних систем зв’язку.
(3) Класифікація за робочою довжиною хвилі: можна розділити на коротко{1}}оптичне волокно та довго{2}}хвильове оптичне волокно.
1. Оптичне волокно-з короткою довжиною хвилі: на початковому етапі розвитку оптичного волокна зв’язку зазвичай використовувалася довжина хвилі від 0,6 до 0,9 мкм. Основною причиною того часу було те, що напівпровідникові лазерні джерела світла та детектори, що працюють у цьому діапазоні довжин хвиль, були відносно розвиненими, а оптичне волокно з короткою-довжиною хвилі було основним продуктом. В даний час використовується рідко.
2. Довгохвильове-оптичне волокно: оскільки дослідницька робота триває, при вході в діапазони довжин хвиль 1,31 мкм і 1,55 мкм ці два діапазони довжин хвиль показали низькі втрати, нульову дисперсію та мінімальні втрати на вигині. Тому дослідницька робота поступово зміщується в бік цих двох діапазонів довжин хвиль, і з’являються оптичні волокна з кращими характеристиками. Практика показала, що на довжинах хвиль 1,0 ~ 2,0 мкм оптичні волокна мають нижчі втрати порівняно з оптичними волокнами з короткою-довжиною хвилі.
(4)Довгохвильові-оптичні волокна особливо підходять-для далеких-відстаней високо-пропускного зв’язку через оптоволокно завдяки їхнім перевагам, таким як низьке загасання та широка смуга пропускання.
1. Звичайне оптичне волокно: це оптичне волокно, серцевина якого легована германієм, оболонка та розподіл показника заломлення серцевини поєднані в певному співвідношенні. Оскільки цей тип оптичного волокна має хороші характеристики і відносно простий у виробництві, він пройшов кілька поколінь удосконалень.
Це пояснюється високим коефіцієнтом розширення матеріалу з германієм як сировиною. При низьких температурах він дає усадку і тріскається. Відбудеться подвійне променезаломлення, що додасть оптичному волокну асиметрії.
2. Оптичне волокно-зі зміщеною дисперсією: відноситься до оптичного волокна, яке піддається термічній обробці після легування германієм, переміщуючи точку нульової-дисперсії в одну довжину хвилі, а не втричі чи втричі більшу.
Процес виробництва цього типу оптичного волокна відносно складний. Серед них діаметр серцевини повинен відповідати ступеню легування для оптимізації оптичного волокна. Тому він ще не отримав широкого застосування».
