Skaidulinė optika: pagrindų supratimas

Niekas taip nepakeitė komunikacijos pasaulio, kaip optinio pluošto kūrimas ir diegimas. Šiame straipsnyje pateikiami pagrindiniai principai, reikalingi dirbant su šia technologija.
 

Inžinerijos ir rinkodaros darbuotojai

Optiniai pluoštai gaminami iš stiklo arba plastiko. Dauguma jų yra maždaug žmogaus plauko skersmens ir gali būti daug mylių. Šviesa perduodama išilgai pluošto centro iš vieno galo į kitą ir gali būti įvestas signalas. Skaidulinės optikos sistemos daugeliu atvejų yra pranašesnės už metalinius laidininkus. Didžiausias jų pranašumas yra pralaidumas. Dėl šviesos bangos ilgio galima perduoti signalą, kuriame yra daug daugiau informacijos, nei įmanoma naudojant metalinį laidininką – net ir bendraašį laidininką. Kiti privalumai:

• Elektros izoliacija – šviesolaidžiams nereikia įžeminimo jungties. Ir siųstuvas, ir imtuvas yra izoliuoti vienas nuo kito, todėl juose nėra įžeminimo kilpos problemų. Be to, nėra kibirkščių ar elektros smūgio pavojaus.

• Laisvė nuo EMI – šviesolaidžiai yra atsparūs elektromagnetiniams trukdžiams (EMI), o patys neskleidžia spinduliuotės, kuri sukeltų kitus trukdžius.

• Mažas galios nuostolis – tai leidžia ilgiau važiuoti kabeliais ir naudoti mažiau kartotuvo stiprintuvų.

• Lengvesnis ir mažesnis – pluoštas sveria mažiau ir reikalauja mažiau vietos nei metaliniai laidininkai, turintys lygiavertę signalo perdavimo galią.

Varinė viela yra apie 13 kartų sunkesnė. Pluoštas taip pat yra lengviau montuojamas ir reikalauja mažiau vietos ortakiams.

Programos

Kai kurios pagrindinės optinių skaidulų taikymo sritys yra šios:

• Ryšiai – balso, duomenų ir vaizdo perdavimas yra dažniausiai naudojamas šviesolaidžio naudojimas, įskaitant:

– Telekomunikacijos
– Vietiniai tinklai (LAN)
– Pramoninės valdymo sistemos
– Avioninės sistemos
– Karinės vadovybės, valdymo ir ryšių sistemos

• Jutimas – šviesolaidinis pluoštas gali būti naudojamas šviesai iš nuotolinio šaltinio perduoti į detektorių, kad būtų galima gauti slėgio, temperatūros ar spektrinės informacijos. Pluoštas taip pat gali būti naudojamas tiesiogiai kaip keitiklis įvairiems aplinkos poveikiams, tokiems kaip deformacija, slėgis, elektrinė varža ir pH, matuoti. Aplinkos pokyčiai turi įtakos šviesos intensyvumui, fazei ir (arba) poliarizacijai tokiais būdais, kuriuos galima aptikti kitame pluošto gale.

• Maitinimo tiekimas – optiniai pluoštai gali tiekti nepaprastai didelę galią atliekant tokias užduotis kaip pjovimas lazeriu, suvirinimas, žymėjimas ir gręžimas.

• Apšvietimas – pluoštų pluoštas, sujungtas kartu su šviesos šaltiniu viename gale, gali apšviesti sunkiai pasiekiamas vietas – pavyzdžiui, žmogaus kūno viduje, kartu su endoskopu. Be to, jie gali būti naudojami kaip ekrano ženklas arba tiesiog kaip dekoratyvinis apšvietimas.

 

1 pav. Optinis pluoštas susideda iš šerdies, apvalkalo ir dangos.

 

Statyba

Optinis pluoštas susideda iš trijų pagrindinių koncentrinių elementų: šerdies, apvalkalo ir išorinės dangos (1 pav.).

Šerdis paprastai yra pagaminta iš stiklo arba plastiko, nors kartais naudojamos ir kitos medžiagos, priklausomai nuo pageidaujamo perdavimo spektro.

Šerdis yra šviesą praleidžianti pluošto dalis. Apvalkalas paprastai yra pagamintas iš tos pačios medžiagos kaip ir šerdis, tačiau su šiek tiek mažesniu lūžio rodikliu (paprastai apie 1 % mažesnis). Šis indekso skirtumas sukelia visišką vidinį atspindį ties indekso riba išilgai pluošto ilgio, todėl šviesa sklinda pluoštu ir neišsiskverbia pro šonines sieneles.

 

 

2 pav.Šviesos spindulys, einantis iš vienos medžiagos į kitą, turintis skirtingą lūžio rodiklį, yra išlenktas arba lūžta sąsajoje.

Danga paprastai susideda iš vieno ar kelių plastikinės medžiagos sluoksnių, apsaugančių pluoštą nuo fizinės aplinkos. Kartais prie dangos pridedami metaliniai apvalkalai tolesnei fizinei apsaugai.

Optinės skaidulos paprastai nurodomos pagal jų dydį, pateikiamą kaip išorinį šerdies skersmenį, apvalkalą ir dangą. Pavyzdžiui, 62,5/125/25{7}} reikštų pluoštą, kurio šerdis yra 62.5-µm skersmens, 125-µm skersmens apvalkalas ir 0.{{8} }mm skersmens išorinė danga.

 

 

Fotonikos rinkoje yra 81 optinio pluošto tiekėjas

 

Principai

Optinės medžiagos apibūdinamos jų lūžio rodikliu, vadinamu n. Medžiagos lūžio rodiklis yra šviesos greičio vakuume ir šviesos greičio medžiagoje santykis. Kai šviesos pluoštas pereina iš vienos medžiagos į kitą su skirtingu lūžio rodikliu, pluoštas sulenkiamas (arba lūžta) sąsajoje (2 pav.).

Refrakcija apibūdinama Snell dėsniu:

kurn_Iirn_Ryra medžiagų, per kurias lūžta spindulys, lūžio rodikliai irIirRyra spindulio kritimo ir lūžio kampai. Jei kritimo kampas yra didesnis už kritinį sąsajos kampą (paprastai apie 82 laipsnius optiniams pluoštams), šviesa be nuostolių atsispindi atgal į krintantį terpę procesu, vadinamu visišku vidiniu atspindžiu (3 pav.).

3 pav.Visiškas vidinis atspindys leidžia šviesai likti pluošto šerdyje.

 

Žiūrėkite vaizdo įrašą apie visišką vidinį atspindį.

Režimai

Kai šviesa nukreipiama žemyn pluoštu (kaip mikrobangos nukreipiamos žemyn bangolaidžiu), fazės poslinkiai įvyksta kiekvienoje atspindinčioje riboje. Egzistuoja ribotas atskiras optinio pluošto kelių (žinomų kaip režimai), kurie sukuria konstruktyvius (fazinius, todėl papildomus) fazių poslinkius, kurie sustiprina perdavimą, skaičių. Kadangi kiekvienas režimas veikia skirtingu kampu pluošto ašies atžvilgiu, kai pluoštas juda išilgai, kiekvienas iš jų eina skirtingu ilgiu per pluoštą nuo įvesties iki išvesties. Tik vienas režimas, nulinės eilės režimas, keliauja per pluošto ilgį be atspindžių nuo šoninių sienelių. Tai žinoma kaip vienmodis pluoštas. Tikrasis režimų skaičius, kurį galima skleisti tam tikrame optiniame pluošte, nustatomas pagal šviesos bangos ilgį ir skaidulos šerdies skersmenį bei lūžio rodiklį.
 

Yra keletas optinio pluošto slopinimo priežasčių:

 

• Rayleigh sklaida – mikroskopinio masto šerdies medžiagos lūžio rodiklio svyravimai gali sukelti didelį pluošto sklaidą, dėl kurio gali sumažėti optinė galia. Rayleigh sklaida priklauso nuo bangos ilgio ir yra mažiau reikšminga esant ilgesniems bangos ilgiams. Tai yra svarbiausias šiuolaikinių optinių skaidulų praradimo mechanizmas, kuris paprastai sudaro iki 90 % visų patiriamų nuostolių.

 

• Absorbcija – dabartiniai gamybos metodai sumažino priemaišų (ypač vandens pluošte) sukeltą absorbciją iki labai žemo lygio. Pluošto perdavimo dažnių juostoje absorbcijos nuostoliai yra nereikšmingi.

• Lenkimas – taikant gamybos metodus pluošto geometrijos lenkimai gali būti nedideli. Kartais šie posūkiai yra pakankamai dideli, kad šerdies viduje esanti šviesa pataikytų į šerdies ir apvalkalo sąsają mažesniu nei kritiniu kampu, kad šviesa būtų prarasta į apvalkalo medžiagą. Tai taip pat gali nutikti, kai pluoštas sulenktas siauru spinduliu (mažiau nei, tarkime, kelių centimetrų). Lenkimo jautrumas paprastai išreiškiamas dB/km nuostoliais tam tikram posūkio spinduliui ir bangos ilgiui.

 

 

4 pav.Skaitinė diafragma priklauso nuo kampo, kuriuo spinduliai patenka į pluoštą, ir nuo pluošto šerdies skersmens.

 

Pluošto rūšys

Iš esmės yra trys optinio pluošto tipai: vienmodis, daugiamodis laipsniškas indeksas ir daugiamodis žingsninis indeksas. Jiems būdingas būdas, kuriuo šviesa sklinda pluoštu ir priklauso tiek nuo šviesos bangos ilgio, tiek nuo pluošto mechaninės geometrijos. Pavyzdžiai, kaip jie skleidžia šviesą, parodyti 5 paveiksle.

 

 

Mūsų įmonė specializuojasi plastikinių optinių skaidulų / kabelių ir visų rūšių šviesolaidinių laidų gamyboje, jei susidomėjote, susisiekite su manimi.