I optisk kommunikation er den optiske bølgeleder, der kræves til langdistancetransmission af optiske signaler, en cylindrisk dielektrisk bølgeleder kaldet en optisk fiber (eller blotoptisk fiber). Optisk fiber er en dielektrisk bølgeleder, der fungerer ved optiske frekvenser, der leder lysenergi til at udbrede sig langs en retning parallelt med dens akse.
Struktur og klassificering af optiske fibre
△Det ledende princip for optisk fiber
Struktur af optisk fiber:
Optisk fiber (OF) er en gennemsigtig dielektrisk fiber, der bruges til at lede lys. En praktisk optisk fiber er sammensat af flere transparente dielektriske lag. Den typiske struktur af en optisk fiber, som vist i figur 2-1, kan opdeles i tre lag: kernen med et højere brydningsindeks, beklædningen med et lavere brydningsindeks og den ydre belægning. Strukturen af kernen og beklædningen opfylder kravene til lysstyring, der kontrollerer udbredelsen af lysbølger langs kernen; belægningen tjener hovedsageligt en beskyttende funktion (da den ikke leder lys, kan den farves i forskellige farver).
(Figur 2-1 Struktur af en typisk optisk fiber)
(1) Fiberkerne Fiberkernen er placeret i midten af den optiske fiber (diameter 5~80µm). Dens sammensætning er siliciumdioxid med høj-renhed, tilsat spormængder af dopingmidler såsom germaniumdioxid og fosforpentoxid. Formålet med at tilsætte disse små mængder dopingmidler er passende at øge fiberkernens brydningsindeks (n). For optiske kommunikationsfibre er kernediameteren 5~10µm (single-mode fiber) eller 50~80µm (multimode fiber).
(2) Beklædning: Beklædningen er placeret omkring fiberkernen (dens diameter er ca. 125 μm), og dens sammensætning er også høj-ren siliciumdioxid, der indeholder en meget lille mængde dopingmiddel. Doteringsmidlets rolle (såsom bortrioxid) er passende at reducere det optiske brydningsindeks (n2) af beklædningen, hvilket gør det lidt lavere end fiberkernens brydningsindeks. For at opfylde forskellige lysstyringskrav kan beklædningen udføres som et enkelt lag eller flere lag.
(3) Det yderste lag af den coatede optiske fiber er en coating bestående af acrylat, silikonegummi og nylon, hvilket øger den optiske fibers mekaniske styrke og fleksibilitet. Belægningen er generelt opdelt i en primær belægning og en sekundær belægning. Den sekundære belægning er et ekstra lag af termoplastisk materiale påført over den primære belægning, derfor kaldes det også en beklædning. Den ydre diameter af den coatede optiske fiber er generelt ca. 1,5 cm.
Tykkelsen af fiberkernen, brydningsindeksfordelingen af kernematerialet og brydningsindekset af beklædningsmaterialet spiller en afgørende rolle for den optiske fibers transmissionskarakteristika. Beklædningsmaterialet er normalt et homogent materiale med et konstant brydningsindeks. Hvis der er flere beklædningslag, er brydningsindekserne for hvert beklædningslag forskellige. Fiberkernens brydningsindeks kan være ensartet, eller det kan variere langs kernens radius r. Derfor er brydningsindeksfordelingsfunktionen n(r) langs radius almindeligvis brugt til at karakterisere ændringen i kernens brydningsindeks.
Klassificering af optiske fibre:
Her er den engelske oversættelse af teksten fra billedet:
"På nuværende tidspunkt er der mange typer optiske fibre, men deres klassificeringsmetoder er generelt opdelt i 4 kategorier: klassificering efter fiberbrydningsindeksfordeling, klassificering efter transmissionstilstand, klassificering efter arbejdsbølgelængde og klassificering efter kappe og beklædningsmateriale. Derudover er der, ifølge sammensætningen af optiske fiberkomponenter, udover de mest almindeligt anvendte optiske fibre af silica og optiske fibre af plastikfiber.
(1) Klassificering efter fiberbrydningsindeksfordeling: kan opdeles i Step Index Fiber (SIF) og Graded Index Fiber (GIF).
1. Trinindeks optisk fiber: refererer til fiberkernen og beklædningsområdet, hvor brydningsindeksfordelingen er ensartet, værdien er en konstant, og brydningsindeksfordelingen præsenterer en trinlignende lagstruktur.- Variationen af brydningsindeks er trin-lignende. Brydningsindeksfordelingen af optisk fiber med trinindeks er vist i figur 2-2.
Dens brydningsindeksfordelingsudtryk er:
n(r) = {n₁(r Mindre end eller lig med a₁)
{n₂ (a₁< r Mindre end eller lig med a₂)
Step index optisk fiber er en tidlig strukturel form for optisk fiber. Senere, i multimode optisk fiber, blev det gradvist erstattet af graderet indeks optisk fiber (fordi graderet indeks optisk fiber i høj grad kan reducere den modale farvespredning, som multimode optisk fiber har). Det er dog stadig relativt almindeligt at bruge det til at transmittere pulserende lys i optiske fibre. I øjeblikket, når single-mode optisk fiber gradvist erstatter multimode optisk fiber som hovedproduktet af kommerciel optisk fiber, er step-index optisk fiberstruktur blevet den eneste strukturelle form for single-mode optisk fiber - skal den være step-lignende.
2. Graderet indeks optisk fiber: refererer til optisk fiber, hvis brydningsindeksfordeling varierer med radius r. Efterhånden som afstanden fra centrum øges og gradvist aftager, bliver radius gradvist mindre. Dens variationsregel er generelt i overensstemmelse med magteksponentialreglen. Når fiberkernen og beklædningsgrænsefladen nås, afkortes den til de værdier, der svarer til beklædningen; i beklædningsområdet er dets brydningsindeksfordeling ensartet, dvs. n2. Brydningsindeksfordelingen af optisk fiber med graderet indeks er vist i figur 2-3."
Dens brydningsindeksfordeling er udtrykt som følger:
"I ligningen er g brydningsindeksfordelingstallet; det repræsenterer forskellige værdier ved forskellige brydningsindeksfordelinger; n₁ er brydningsindekset i midten af fiberkernen; n₂ er brydningsindekset for beklædningen; a₁ er kerneradius; Δ₁ er det relative brydningsindeks, - (n{1},} n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
Hovedårsagen til den reducerede intermodale spredning af optisk fiber med graderet indeks er, at den reducerer modal spredning, forlænger transmissionsdistancen og øger transmissionskapaciteten.
(2) Klassificering efter transmissionstilstand:Kan opdeles i Multi-Mode Fiber (MMF) og Single Mode Fiber (SMF). Som navnet antyder, kan multimode optisk fiber transmittere flere tilstande, mens single-mode optisk fiber kun kan transmittere fundamental mode og elektriske felttilstande. Det antages generelt, at den nye generation af transmissionsløsninger bør domineres af single-optisk fiber, fordi den kan transmittere meget længere end multimode optisk fiber. Når transmissionsmediets tab og spredning er de samme, er informationsbærekapaciteten efter enkelt-modulation meget højere end efter multimodemodulation.
Under visse arbejdsbølgelængdeforhold er der mange transmissionstilstande i optisk fiber, og disse fibertilstande er multimode optiske fibre. Det modale brydningsindeks for multimode optisk fiber er omtrent det samme som brydningsindekset for fiberkernen, og antallet af tilstande er omtrent proportionalt med kvadratet af V (normaliseret frekvens). Derfor kaldes det også graderet multimode optisk fiber. Senere blev det gradvist graderet indeks optisk fiber.
Under visse arbejdsbølgelængdeforhold, hvis der kun er én transmissionstilstand i den optiske fiber, kaldes den enkelt-optisk fiber. Single-mode optisk fiber kan kun transmittere den fundamentale tilstand (aksial tilstand), og der er ingen intermodal spredning, når der transmitteres i denne tilstand. Sammenlignet med multimode optisk fiber med et stort antal højere-tilstande, er dette meget nyttigt for høj-optiske fiberkommunikationssystemer.
(3) Klassificering efter arbejdsbølgelængde: Kan opdeles i optisk fiber med kort-bølgelængde og optisk fiber med lang-bølgelængde.
1.Kort-optisk fiber: I den indledende fase af udviklingen af optisk fiberkommunikation var den almindeligt anvendte bølgelængde mellem 0,6 ~ 0,9 μm. Hovedårsagen på det tidspunkt var, at halvlederlaserlyskilder og detektorer, der opererede i dette bølgelængdebånd, var relativt modne, og kort-optisk fiber var hovedproduktet. I øjeblikket bruges den sjældent.
2.Lang-optisk fiber: Efterhånden som forskningsarbejdet fortsætter, når man går ind i bølgelængdebåndene på 1,31 μm og 1,55 μm, har disse to bølgelængdebånd vist lavt tab, nul spredning og minimale bøjningstabsegenskaber. Derfor er forskningsarbejdet gradvist skiftet mod disse to bølgelængdebånd, og optiske fibre med bedre ydeevne er opstået. Praksis har bevist, at ved bølgelængder på 1,0 ~ 2,0 μm har optiske fibre lavere tab sammenlignet med optiske fibre med kort-bølgelængde.
(4)Optiske fibre med lang-bølgelængde er særligt velegnet til lang-optisk fiberkommunikation med høj-kapacitet på grund af deres fordele såsom lav dæmpning og bred båndbredde.
1. Konventionel optisk fiber: refererer til optisk fiber, hvis fiberkerne er dopet med germanium, beklædning og kerne brydningsindeksfordeling kombineres i et bestemt forhold. Da denne type optisk fiber har gode egenskaber og er forholdsvis let at fremstille, har den bestået flere generationer af forbedringer.
Dette skyldes materialets høje ekspansionskoefficient med germanium som råmateriale. Ved lave temperaturer vil det krympe og revne. Spændingsdobbeltbrydning vil forekomme, hvilket tilføjer asymmetri til den optiske fiber.
2.Dispersion-forskudt optisk fiber: Refererer til optisk fiber, der gennemgår varmebehandling efter doping med germanium, og flytter nul-spredningspunktet til én bølgelængde, ikke tre eller tre gange bølgelængden.
Fremstillingsprocessen for denne type optisk fiber er relativt kompliceret. Blandt dem skal kernediameteren matche graden af doping for at optimere den optiske fiber. Derfor har den ikke været meget brugt endnu.«
