Nella comunicazione ottica, la guida d'onda ottica necessaria per la trasmissione di segnali ottici su lunghe- distanze è una guida d'onda dielettrica cilindrica chiamata fibra ottica (o semplicementefibra ottica). La fibra ottica è una guida d'onda dielettrica che opera a frequenze ottiche, guidando l'energia luminosa a propagarsi lungo una direzione parallela al suo asse.
Struttura e classificazione delle fibre ottiche
△Il principio guida della fibra ottica
Struttura della fibra ottica:
La fibra ottica (OF) è una fibra dielettrica trasparente utilizzata per guidare la luce. Una pratica fibra ottica è composta da più strati dielettrici trasparenti. La struttura tipica di una fibra ottica, come mostrato nella Figura 2-1, può essere divisa in tre strati: il nucleo con un indice di rifrazione più elevato, il rivestimento con un indice di rifrazione inferiore e il rivestimento esterno. La struttura del nucleo e del rivestimento soddisfa i requisiti di guida della luce, controllando la propagazione delle onde luminose lungo il nucleo; il rivestimento ha principalmente una funzione protettiva (poiché non guida la luce, può essere tinto in vari colori).
(Figura 2-1 Struttura di una tipica fibra ottica)
(1) Nucleo della fibra Il nucleo della fibra si trova al centro della fibra ottica (diametro 5~80μm). La sua composizione è biossido di silicio di elevata-purezza, con l'aggiunta di tracce di droganti come biossido di germanio e pentossido di fosforo. Lo scopo dell'aggiunta di queste piccole quantità di droganti è quello di aumentare opportunamente l'indice di rifrazione (n) del nucleo della fibra. Per le fibre ottiche di comunicazione, il diametro del nucleo è 5~10 µm (fibra monomodale-) o 50~80 µm (fibra multimodale).
(2) Rivestimento: il rivestimento si trova attorno al nucleo della fibra (il suo diametro è di circa 125 μm) e la sua composizione è anche biossido di silicio di elevata purezza- contenente una quantità molto piccola di drogante. Il ruolo del drogante (come il triossido di boro) è quello di ridurre opportunamente l'indice di rifrazione ottica (n2) del rivestimento, rendendolo leggermente inferiore all'indice di rifrazione del nucleo della fibra. Per soddisfare le diverse esigenze di guida della luce, il rivestimento può essere realizzato a strato singolo o multistrato.
(3) Lo strato più esterno della fibra ottica rivestita è un rivestimento composto da acrilato, gomma siliconica e nylon, che aumenta la resistenza meccanica e la flessibilità della fibra ottica. Il rivestimento è generalmente suddiviso in un rivestimento primario e un rivestimento secondario. Il rivestimento secondario è uno strato aggiuntivo di materiale termoplastico applicato sopra il rivestimento primario, per questo viene anche chiamato cladding. Il diametro esterno della fibra ottica rivestita è generalmente di circa 1,5 cm.
Lo spessore del nucleo della fibra, la distribuzione dell'indice di rifrazione del materiale del nucleo e l'indice di rifrazione del materiale di rivestimento svolgono un ruolo decisivo nelle caratteristiche di trasmissione della fibra ottica. Il materiale del rivestimento è solitamente un materiale omogeneo con un indice di rifrazione costante. Se sono presenti più strati di rivestimento, gli indici di rifrazione di ciascuno strato di rivestimento sono diversi. L'indice di rifrazione del nucleo della fibra può essere uniforme oppure può variare lungo il raggio del nucleo r. Pertanto, la funzione di distribuzione dell'indice di rifrazione n(r) lungo il raggio viene comunemente utilizzata per caratterizzare la variazione dell'indice di rifrazione del nucleo.
Classificazione delle fibre ottiche:
Ecco la traduzione in inglese del testo dall'immagine:
"Attualmente esistono molti tipi di fibre ottiche, ma i loro metodi di classificazione sono generalmente divisi in 4 categorie: classificazione in base alla distribuzione dell'indice di rifrazione della fibra, classificazione in base alla modalità di trasmissione, classificazione in base alla lunghezza d'onda di lavoro e classificazione in base al materiale di rivestimento e rivestimento. Inoltre, in base alla composizione dei componenti della fibra ottica, oltre alla fibra ottica di silice più comunemente utilizzata, esistono anche la fibra ottica al fluoruro e la fibra ottica in plastica.
(1) Classificazione in base alla distribuzione dell'indice di rifrazione delle fibre: può essere suddiviso in Step Index Fiber (SIF) e Graded Index Fiber (GIF).
1.Fibra ottica con indice a gradini: si riferisce al nucleo della fibra e alla regione del rivestimento in cui la distribuzione dell'indice di rifrazione è uniforme, il valore è costante e la distribuzione dell'indice di rifrazione presenta una struttura a strati simile a gradini. La variazione dell'indice di rifrazione è a gradini-. La distribuzione dell'indice di rifrazione della fibra ottica con indice di gradino è mostrata nella Figura 2-2.
La sua espressione di distribuzione dell'indice di rifrazione è:
n(r) = {n₁(r Minore o uguale ad a₁)
{n₂ (a₁< r Minore o uguale ad a₂)
La fibra ottica con indice di passo è una delle prime forme strutturali di fibra ottica. Successivamente, nella fibra ottica multimodale, è stata gradualmente sostituita dalla fibra ottica con indice graduato (perché la fibra ottica con indice graduato può ridurre notevolmente la dispersione modale del colore che ha la fibra ottica multimodale). Tuttavia, è ancora relativamente comune utilizzarlo per trasmettere luce pulsata nelle fibre ottiche. Attualmente, quando la fibra ottica monomodale-modale sostituisce gradualmente la fibra ottica multimodale come prodotto principale della fibra ottica commerciale, la struttura della fibra ottica con indice a gradini è diventata l'unica forma strutturale di fibra ottica monomodale-modale - deve essere a gradini-.
2.Fibra ottica con indice graduato: si riferisce alla fibra ottica la cui distribuzione dell'indice di rifrazione varia con il raggio r. Man mano che la distanza dal centro aumenta e diminuisce gradualmente, il raggio diventa gradualmente più piccolo. La sua regola di variazione generalmente è conforme alla regola esponenziale della potenza. Quando raggiunge l'interfaccia del nucleo della fibra e del rivestimento, viene troncato ai valori corrispondenti al rivestimento; nella regione del rivestimento la distribuzione dell'indice di rifrazione è uniforme, cioè n2. La distribuzione dell'indice di rifrazione della fibra ottica con indice graduato è mostrata nella Figura 2-3."
La sua distribuzione dell'indice di rifrazione è espressa come segue:
"Nell'equazione, g è il numero di distribuzione dell'indice di rifrazione; rappresenta valori diversi in diverse distribuzioni dell'indice di rifrazione; n₁ è l'indice di rifrazione al centro del nucleo della fibra; n₂ è l'indice di rifrazione del rivestimento; a₁ è il raggio del nucleo; Δ è la differenza relativa dell'indice di rifrazione, Δ=(n₁² - n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
La ragione principale della ridotta dispersione intermodale della fibra ottica a indice graduale è che riduce la dispersione modale, estende la distanza di trasmissione e aumenta la capacità di trasmissione.
(2) Classificazione per modalità di trasmissione:Può essere suddiviso in fibra multi-modale (MMF) e fibra monomodale (SMF). Come suggerisce il nome, la fibra ottica multimodale può trasmettere più modalità, mentre la fibra ottica mono-modalità può trasmettere solo la modalità fondamentale e le modalità del campo elettrico. Si ritiene generalmente che la nuova generazione di soluzioni di trasmissione dovrebbe essere dominata dalla fibra ottica monomodale- perché può trasmettere molto più lontano della fibra ottica multimodale. Quando la perdita e la dispersione del mezzo di trasmissione sono le stesse, la capacità di trasporto delle informazioni dopo la modulazione monomodale- è molto più elevata di quella dopo la modulazione multimodale.
In determinate condizioni di lunghezza d'onda di lavoro, esistono molte modalità di trasmissione nella fibra ottica e queste modalità di fibra sono fibre ottiche multimodali. L'indice di rifrazione modale della fibra ottica multimodale è approssimativamente uguale all'indice di rifrazione del nucleo della fibra e il numero di modalità è approssimativamente proporzionale al quadrato di V (frequenza normalizzata). Pertanto, è anche chiamata fibra ottica multimodale graduata. Successivamente, è diventata gradualmente fibra ottica con indice graduato.
In determinate condizioni di lunghezza d'onda di lavoro, se è presente una sola modalità di trasmissione nella fibra ottica, viene chiamata fibra ottica monomodale-. La fibra ottica mono-modale può trasmettere solo la modalità fondamentale (modalità assiale) e non c'è dispersione intermodale quando si trasmette in questa modalità. Rispetto alla fibra ottica multimodale con un gran numero di modalità di ordine superiore-, questo è molto utile per i sistemi di comunicazione in fibra ottica ad alta-velocità.
(3) Classificazione in base alla lunghezza d'onda di lavoro: può essere divisa in fibra ottica a-lunghezza d'onda corta e fibra ottica a-lunghezza d'onda lunga.
1.Fibra ottica a-lunghezza d'onda corta: nella fase iniziale dello sviluppo della comunicazione in fibra ottica, la lunghezza d'onda comunemente utilizzata era compresa tra 0,6 ~ 0,9 μm. Il motivo principale a quel tempo era che le sorgenti di luce laser a semiconduttore e i rilevatori che funzionavano in questa banda di lunghezze d'onda erano relativamente maturi e la fibra ottica a lunghezza d'onda corta-era il prodotto principale. Attualmente è usato raramente.
2.Fibra ottica a-lunghezza d'onda lunga: man mano che il lavoro di ricerca continua, quando si entra nelle bande di lunghezza d'onda di 1,31 μm e 1,55 μm, queste due bande di lunghezza d'onda hanno mostrato caratteristiche di bassa perdita, dispersione zero e perdita di flessione minima. Pertanto, il lavoro di ricerca si è gradualmente spostato verso queste due bande di lunghezze d'onda e sono emerse fibre ottiche con prestazioni migliori. La pratica ha dimostrato che a lunghezze d'onda di 1,0 ~ 2,0 μm, le fibre ottiche hanno una perdita inferiore rispetto alle fibre ottiche a lunghezza d'onda corta-.
(4)Le fibre ottiche a lunga-lunghezza d'onda sono particolarmente adatte per le comunicazioni in fibra ottica a lunga-distanza e ad alta-capacità grazie ai loro vantaggi quali bassa attenuazione e ampia larghezza di banda.
1.Fibra ottica convenzionale: si riferisce alla fibra ottica il cui nucleo è drogato con germanio, rivestimento e distribuzione dell'indice di rifrazione del nucleo combinati in un determinato rapporto. Poiché questo tipo di fibra ottica ha buone caratteristiche ed è relativamente facile da produrre, ha superato diverse generazioni di miglioramenti.
Ciò è dovuto all'elevato coefficiente di dilatazione del materiale con germanio come materia prima. A basse temperature si restringerà e si spezzerà. Si verificherà birifrangenza da stress, aggiungendo asimmetria alla fibra ottica.
2.Fibra ottica a dispersione-spostata: si riferisce alla fibra ottica che viene sottoposta a trattamento termico dopo il drogaggio con germanio, spostando il punto di dispersione-zero in una lunghezza d'onda, non tre o tre volte la lunghezza d'onda.
Il processo di fabbricazione di questo tipo di fibra ottica è relativamente complicato. Tra questi, il diametro del nucleo deve corrispondere al grado di drogaggio per ottimizzare la fibra ottica. Pertanto, non è stato ancora ampiamente utilizzato."
