V optické komunikaci je optickým vlnovodem potřebným pro přenos optických signálů-na dlouhé vzdálenosti válcový dielektrický vlnovod zvaný optické vlákno (nebo jednodušeoptické vlákno). Optické vlákno je dielektrický vlnovod, který pracuje na optických frekvencích a vede světelnou energii k šíření ve směru rovnoběžném s jeho osou.
Struktura a klasifikace optických vláken
△Hlavní princip optického vlákna
Struktura optického vlákna:
Optické vlákno (OF) je průhledné dielektrické vlákno používané k vedení světla. Praktické optické vlákno se skládá z několika průhledných dielektrických vrstev. Typickou strukturu optického vlákna, jak je znázorněno na obrázku 2-1, lze rozdělit do tří vrstev: jádro s vyšším indexem lomu, plášť s nižším indexem lomu a vnější povlak. Struktura jádra a pláště splňuje požadavky na vedení světla, řízení šíření světelných vln podél jádra; povlak plní především ochrannou funkci (protože nevede světlo, lze jej barvit do různých barev).
(Obrázek 2-1 Struktura typického optického vlákna)
(1) Jádro vlákna Jádro vlákna je umístěno ve středu optického vlákna (průměr 5~80 µm). Jeho složení je vysoce čistý oxid křemičitý se stopovým množstvím příměsí, jako je oxid germanitý a oxid fosforečný. Účelem přidání těchto malých množství příměsí je odpovídajícím způsobem zvýšit index lomu (n) jádra vlákna. U komunikačních optických vláken je průměr jádra 5~10 µm (jednovidové -vlákno) nebo 50~80 µm (multividové vlákno).
(2) Plášť: Plášť je umístěn kolem jádra vlákna (jeho průměr je přibližně 125 μm) a jeho složení je rovněž vysoce-oxid křemičitý obsahující velmi malé množství dopantu. Úlohou příměsi (jako je oxid boritý) je vhodně snížit optický index lomu (n2) povlaku, čímž je mírně nižší než index lomu jádra vlákna. Pro splnění různých požadavků na vedení světla může být plášť vyroben jako jednovrstvý nebo vícevrstvý.
(3) Vnější vrstva potaženého optického vlákna je povlak složený z akrylátu, silikonové pryže a nylonu, který zvyšuje mechanickou pevnost a pružnost optického vlákna. Povlak se obecně dělí na primární povlak a sekundární povlak. Sekundární povlak je další vrstva termoplastického materiálu nanesená přes primární povlak, proto se také nazývá plášť. Vnější průměr potaženého optického vlákna je obecně asi 1,5 cm.
Tloušťka jádra vlákna, rozložení indexu lomu materiálu jádra a index lomu materiálu pláště hrají rozhodující roli v přenosových charakteristikách optického vlákna. Obkladový materiál je obvykle homogenní materiál s konstantním indexem lomu. Pokud existuje více vrstev povlaku, indexy lomu každé vrstvy povlaku jsou různé. Index lomu jádra vlákna může být jednotný nebo se může měnit podél poloměru r jádra. Proto se k charakterizaci změny indexu lomu jádra běžně používá distribuční funkce indexu lomu n(r) podél poloměru.
Klasifikace optických vláken:
Zde je anglický překlad textu z obrázku:
"V současné době existuje mnoho typů optických vláken, ale jejich klasifikační metody se obecně dělí do 4 kategorií: klasifikace podle rozdělení indexu lomu vlákna, klasifikace podle režimu přenosu, klasifikace podle pracovní vlnové délky a klasifikace podle materiálu pláště a pláště. Navíc podle složení komponentů optických vláken existují kromě nejpoužívanějšího křemičitého optického vlákna také fluoridové optické vlákno a plastové optické vlákno.
(1) Klasifikace podle distribuce indexu lomu vlákna: lze rozdělit na vlákno se stupňovitým indexem (SIF) a vlákno s odstupňovaným indexem (GIF).
1. Optické vlákno s indexem lomu: označuje jádro vlákna a oblast pláště, kde je rozložení indexu lomu rovnoměrné, hodnota je konstantní a rozložení indexu lomu představuje stupňovitou- vrstvenou strukturu. Změna indexu lomu je-jako kroková. Distribuce indexu lomu optického vlákna se stupňovitým indexem je znázorněna na obrázku 2-2.
Jeho výraz distribuce indexu lomu je:
n(r) = {n₁(r Menší nebo rovno a₁)
{n₂ (a₁< r Menší nebo rovno a₂)
Optické vlákno se stupňovitým indexem je raná strukturální forma optického vlákna. Později se ve vícevidových optických vláknech postupně nahradilo optickým vláknem s odstupňovaným indexem (protože optické vlákno s odstupňovaným indexem může značně snížit modální barevnou disperzi, kterou má vícevidové optické vlákno). Stále je však poměrně běžné používat jej pro přenos pulzního světla v optických vláknech. V současné době, kdy jednovidové optické vlákno postupně nahrazuje vícevidové optické vlákno jako hlavní produkt komerčního optického vlákna, se struktura optického vlákna se stupňovitým indexem stala jedinou strukturální formou jednovidového optického vlákna -, musí být-jako stupňovité.
2. Optické vlákno s odstupňovaným indexem: označuje optické vlákno, jehož rozložení indexu lomu se mění s poloměrem r. Jak se vzdálenost od středu zvětšuje a postupně zmenšuje, poloměr se postupně zmenšuje. Jeho variační pravidlo obecně odpovídá mocninnému exponenciálnímu pravidlu. Při dosažení rozhraní jádra vlákna a pláště je toto zkráceno na hodnoty odpovídající plášti; v oblasti pláště je jeho distribuce indexu lomu rovnoměrná, to znamená n2. Rozložení indexu lomu optického vlákna s odstupňovaným indexem je znázorněno na obrázku 2-3."
Jeho rozložení indexu lomu je vyjádřeno takto:
"V rovnici je g distribuční číslo indexu lomu; představuje různé hodnoty při různých distribucích indexu lomu; n₁ je index lomu ve středu jádra vlákna; n₂ je index lomu pláště; a₁ je poloměr jádra; Δ je relativní rozdíl indexu lomu, Δ=(n{1} n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
Hlavním důvodem snížené intermodální disperze optického vlákna s odstupňovaným indexem je to, že snižuje modální disperzi, prodlužuje přenosovou vzdálenost a zvyšuje přenosovou kapacitu.
(2) Klasifikace podle režimu přenosu:Lze je rozdělit na multi{0}}vláknové vlákno (MMF) a jednorežimové vlákno (SMF). Jak název napovídá, vícevidové optické vlákno může přenášet více režimů, zatímco jedno{2}}režimové optické vlákno může přenášet pouze základní režimy a režimy elektrického pole. Obecně se má za to, že nové generaci přenosových řešení by mělo dominovat jedno-režimové optické vlákno, protože dokáže přenášet mnohem dál než multividové optické vlákno. Když jsou ztráty a rozptyl přenosového média stejné, kapacita přenosu informací po modulaci v jednom-režimu je mnohem vyšší než po modulaci s více režimy.
Za určitých podmínek pracovní vlnové délky existuje v optickém vláknu mnoho režimů přenosu a tyto režimy vlákna jsou vícevidová optická vlákna. Modální index lomu vícevidového optického vlákna je přibližně stejný jako index lomu jádra vlákna a počet vidů je přibližně úměrný druhé mocnině V (normalizovaná frekvence). Proto se také nazývá odstupňované vícevidové optické vlákno. Později se z něj postupně stalo optické vlákno s odstupňovaným indexem.
Pokud je za určitých podmínek pracovní vlnové délky v optickém vláknu pouze jeden přenosový režim, nazývá se optické vlákno s jedním-režimem. Jedno-módové optické vlákno může přenášet pouze základní mód (axiální mód) a při vysílání v tomto módu nedochází k intermodální disperzi. Ve srovnání s vícevidovým optickým vláknem s velkým počtem režimů vyššího-řádu je to velmi užitečné pro vysokorychlostní-komunikační systémy s optickými vlákny.
(3) Klasifikace podle pracovní vlnové délky: Lze rozdělit na krátkovlnné optické vlákno a dlouhovlnné optické vlákno.
1. Optické vlákno s krátkou vlnovou délkou: V počáteční fázi vývoje komunikace pomocí optických vláken byla běžně používaná vlnová délka mezi 0,6 ~ 0,9 μm. Hlavním důvodem tehdy bylo, že polovodičové laserové světelné zdroje a detektory pracující v tomto pásmu vlnových délek byly poměrně vyspělé a hlavním produktem byla krátkovlnná optická vlákna. V současné době se používá zřídka.
2.Optické vlákno s dlouhou-délkou: Jak výzkum pokračuje, při vstupu do pásem vlnových délek 1,31 μm a 1,55 μm tato dvě pásma vlnových délek vykazovala charakteristiky nízké ztráty, nulové disperze a minimální ztráty ohybem. Proto se výzkumná práce postupně posunula směrem k těmto dvěma pásmům vlnových délek a objevila se optická vlákna s lepším výkonem. Praxe prokázala, že při vlnových délkách 1,0 ~ 2,0 μm mají optická vlákna nižší ztráty ve srovnání s krátkovlnnými optickými vlákny.
(4)Dlouho{1}}vlnná optická vlákna jsou zvláště vhodná pro komunikaci na dlouhé-vzdálenosti a vysokokapacitní optická vlákna-kvůli jejich výhodám, jako je nízký útlum a široká šířka pásma.
1.Konvenční optické vlákno: označuje optické vlákno, jehož jádro vlákna je dopováno germaniem, plášť a rozložení indexu lomu jádra jsou kombinovány v určitém poměru. Protože tento typ optického vlákna má dobré vlastnosti a je relativně snadno vyrobitelný, prošel několika generacemi vylepšení.
To je způsobeno vysokým koeficientem roztažnosti materiálu s germaniem jako surovinou. Při nízkých teplotách se smršťuje a praská. Dojde k dvojlomu napětí, který přidá asymetrii optickému vláknu.
2. Optické vlákno s posunem rozptylu{1}: Označuje optické vlákno, které po dopování germaniem prochází tepelným zpracováním, čímž se bod rozptylu nula- posune do jedné vlnové délky, nikoli trojnásobku nebo trojnásobku vlnové délky.
Výrobní proces tohoto typu optického vlákna je poměrně komplikovaný. Mezi nimi musí průměr jádra odpovídat stupni dotování pro optimalizaci optického vlákna. Proto zatím nebyl široce používán.“
