Optické vlákno - Optical fiber

Svazek optických vláken
Vláknová posádka instaluje pod ulicemi Midtown Manhattan, New York, 432-násobný vláknový kabel
TOSLINK optickým audio kabel s červeným světlem je stkvěla na jednom konci přenáší světlo na druhý konec
Montáž na zeď skříň , obsahující optická vlákna propojí. Žluté kabely jsou vlákna jednoho režimu ; oranžové a aqua kabely jsou vlákna s více režimy : 50/125 µm OM2 a 50/125 µm OM3 vlákna.

Optických vláken (nebo vlákno v britské angličtině ) je flexibilní, transparentní vlákna vyrobena výkresu skla ( oxid křemičitý ) nebo plastické průměrem o něco tlustší než u lidských vlasů . Optická vlákna se nejčastěji používají jako prostředek pro přenos světla mezi dvěma konci vlákna a nacházejí široké využití v komunikacích s optickými vlákny , kde umožňují přenos na delší vzdálenosti a při vyšších šířkách pásma (rychlosti přenosu dat) než elektrické kabely. Vlákna se používají místo kovových drátů, protože podél nich procházejí signály s menší ztrátou ; vlákna jsou navíc odolná vůči elektromagnetickému rušení , což je problém, kterým trpí kovové dráty. Vlákna se také používají k osvětlení a zobrazování a často jsou zabalena ve svazcích, takže je lze použít k přenosu světla do obrazů nebo z uzavřených prostor, jako v případě fibroskopu . Speciálně navržená vlákna se také používají pro řadu dalších aplikací, z nichž některá jsou senzory z optických vláken a vláknové lasery .

Optická vlákna obvykle obsahují jádro obklopené průhledným obkladovým materiálem s nižším indexem lomu . Světlo je v jádru udržováno fenoménem úplného vnitřního odrazu, který způsobuje, že vlákno funguje jako vlnovod . Vlákna, která podporují mnoho cest šíření nebo příčných režimů, se nazývají vlákna s více režimy , zatímco vlákna , která podporují jeden režim, se nazývají vlákna s jedním režimem (SMF). Vícerežimová vlákna mají obecně širší průměr jádra a používají se pro komunikační spoje na krátké vzdálenosti a pro aplikace, kde je třeba přenášet vysoký výkon. Jednovidová vlákna se používají pro většinu komunikačních spojení delších než 1 000 metrů (3 300 stop).

Schopnost spojovat optická vlákna s nízkou ztrátou je při komunikaci pomocí optických vláken důležitá. Toto je složitější než spojování elektrického drátu nebo kabelu a zahrnuje pečlivé štěpení vláken, přesné zarovnání jader vláken a spojení těchto zarovnaných jader. Pro aplikace, které vyžadují trvalé připojení, je běžné fúzní spojení . V této technice se používá elektrický oblouk k roztavení konců vláken dohromady. Další běžnou technikou je mechanický spoj , kde jsou konce vláken drženy v kontaktu mechanickou silou. Dočasná nebo semipermanentní připojení se provádějí pomocí specializovaných konektorů z optických vláken .

Oblast aplikované vědy a techniky zabývající se návrhem a aplikací optických vláken je známá jako vláknová optika . Termín vymyslel indicko-americký fyzik Narinder Singh Kapany , který je široce uznáván jako otec vláknové optiky.

Dějiny

Daniel Colladon poprvé popsal tuto „světelnou fontánu“ nebo „světelnou trubku“ v článku z roku 1842 s názvem „O odrazech paprsku světla uvnitř proudu parabolické kapaliny“. Tato konkrétní ilustrace pochází z pozdějšího článku Colladona z roku 1884.

Vedení světla lomem, princip umožňující vláknovou optiku, poprvé předvedli Daniel Colladon a Jacques Babinet v Paříži na počátku 40. let 19. století. John Tyndall zařadil jeho demonstraci do svých veřejných přednášek v Londýně , o 12 let později. Tyndall také psal o vlastnosti celkového vnitřního odrazu v úvodní knize o povaze světla v roce 1870:

Když světlo přechází ze vzduchu do vody, lomený paprsek je ohnut směrem k kolmici ... Když paprsek přechází z vody do vzduchu, je ohnut od kolmice ... Pokud úhel, který paprsek ve vodě svírá s kolmou k povrch bude větší než 48 stupňů, paprsek vodu vůbec neopustí: bude se na povrchu zcela odrážet ... Úhel, který označuje hranici, kde začíná celkový odraz, se nazývá omezující úhel média. U vody je tento úhel 48 ° 27 ′, u křemičitého skla je to 38 ° 41 ′, zatímco u diamantu je to 23 ° 42 ′.

Na konci 19. a počátku 20. století bylo světlo vedeno skrz ohnuté skleněné tyče k osvětlení tělesných dutin. Praktické aplikace, jako je těsné vnitřní osvětlení během zubního lékařství, se objevily na počátku dvacátého století. Přenos obrazu trubicemi byl ve 20. letech 20. století nezávisle demonstrován rádiovým experimentátorem Clarencem Hanselem a televizním průkopníkem Johnem Logiem Bairdem . Ve třicátých letech Heinrich Lamm ukázal, že je možné přenášet obrazy prostřednictvím svazku neopláštěných optických vláken a používat jej pro interní lékařské prohlídky, ale na jeho práci se do značné míry zapomnělo.

V roce 1953 holandský vědec Bram van Heel  [ nl ] poprvé demonstroval přenos obrazu svazky optických vláken s průhledným pláštěm. Ve stejném roce se Haroldovi Hopkinsovi a Narinder Singhovi Kapanymu z Imperial College v Londýně podařilo vyrobit svazky přenášející obraz s více než 10 000 vlákny a následně dosáhnout přenosu obrazu prostřednictvím svazku o délce 75 cm, který spojil několik tisíc vláken. První praktický poloflexibilní gastroskop s optickými vlákny byl patentován Basilem Hirschowitzem , C. Wilburem Petersem a Lawrencem E. Curtissem, výzkumníky z University of Michigan , v roce 1956. V procesu vývoje gastroskopu vyrobil Curtiss první sklo- plátovaná vlákna; předchozí optická vlákna spoléhala na vzduch nebo nepraktické oleje a vosky jako obkladový materiál s nízkým indexem.

Kapany vytvořil termín vláknová optika , napsal článek z roku 1960 v časopise Scientific American, který téma představil širokému publiku, a napsal první knihu o novém oboru.

První fungující systém přenosu dat z optických vláken předvedl německý fyzik Manfred Börner ve společnosti Telefunken Research Labs v Ulmu v roce 1965, po níž následovala první patentová přihláška této technologie v roce 1966. V roce 1968 NASA použila v televizních kamerách vláknovou optiku které byly poslány na Měsíc. V té době bylo používání kamer klasifikováno jako důvěrné a zaměstnanci, kteří s kamerami manipulovali, museli být pod dohledem někoho s příslušnou bezpečnostní prověrkou.

Charles K. Kao a George A. Hockham z britské společnosti Standard Telephones and Cables (STC) jako první v roce 1965 podpořili myšlenku, že útlum v optických vláknech lze snížit pod 20 decibelů na kilometr (dB/km) , což z vláken činí praktické komunikační médium. Navrhli, aby útlum ve vláknech dostupných v té době byl způsoben nečistotami, které by mohly být odstraněny, spíše než základními fyzikálními efekty, jako je rozptyl. Správně a systematicky teoretizovali vlastnosti ztráty světla pro optická vlákna a poukázali na správný materiál, který pro taková vlákna použít- křemičité sklo s vysokou čistotou. Tento objev získal Kao Nobelovu cenu za fyziku v roce 2009. Klíčového limitu útlumu 20 dB/km bylo poprvé dosaženo v roce 1970 vědci Robert D. Maurer , Donald Keck , Peter C. Schultz a Frank Zimar pracující pro amerického výrobce skla Corning Sklárny . Předvedli vlákno s útlumem 17 dB/km dopingovým křemičitým sklem s titanem . O několik let později vyrobili vlákno s útlumem pouze 4 dB/km s použitím oxidu germania jako jádrového dopantu. V roce 1981 vyrobila společnost General Electric tavené křemenné ingoty, které bylo možné natáhnout do pramenů dlouhých 40 mil.

Zpočátku bylo možné vysoce kvalitní optická vlákna vyrábět pouze rychlostí 2 metry za sekundu. Chemický inženýr Thomas Mensah nastoupil do společnosti Corning v roce 1983 a zvýšil rychlost výroby na více než 50 metrů za sekundu, čímž byly kabely z optických vláken levnější než tradiční měděné. Tyto inovace začaly v éře telekomunikací s optickými vlákny.

Italské výzkumné centrum CSELT spolupracovalo se společností Corning na vývoji praktických kabelů z optických vláken, což vedlo k tomu, že první metropolitní kabel z optických vláken byl nasazen v Turíně v roce 1977. Společnost CSELT také vyvinula ranou techniku ​​spojování optických vláken s názvem Springroove.

Útlum v moderních optických kabelech je mnohem menší než v elektrických měděných kabelech, což vede k dálkovým vláknovým spojením se vzdáleností opakovače 70–150 kilometrů (43–93 mi). Vláknový zesilovač dotované erbiem , což snižuje náklady na systémy dálkových vláken snížením nebo eliminací opticko-elektrického-optických zesilovačů, byl vyvinut dvěma týmy vedených David N. Payne z University of Southampton a Emmanuel Desurvire v Bell Labs v letech 1986 a 1987.

Rozvíjející se pole fotonických krystalů vedlo v roce 1991 k vývoji vlákna fotonických krystalů , které vede světlo spíše difrakcí z periodické struktury než úplným vnitřním odrazem. První vlákna fotonických krystalů byla komerčně dostupná v roce 2000. Vlákna fotonických krystalů mohou nést vyšší výkon než konvenční vlákna a jejich vlastnosti závislé na vlnové délce lze manipulovat, aby se zlepšil výkon.

Využití

Sdělení

Optické vlákno se používá jako médium pro telekomunikační a počítačové sítě, protože je flexibilní a lze jej spojit jako kabely. Je to zvláště výhodné pro dálkové komunikace, protože infračervené světlo se šíří vláknem s mnohem nižším útlumem ve srovnání s elektřinou v elektrických kabelech. Díky tomu lze dlouhé vzdálenosti překlenout několika opakovači .

V nasazených systémech je typické 10 nebo 40 Gbit/s.

Díky použití multiplexování s vlnovou délkou (WDM) může každé vlákno nést mnoho nezávislých kanálů, z nichž každý používá jinou vlnovou délku světla. Čistá datová rychlost (datová rychlost bez režijních bytů) na vlákno je datová rychlost na kanál snížená o režii FEC, vynásobená počtem kanálů (obvykle až 80 v komerčních hustých WDM systémech od roku 2008).

Milníky rychlosti přenosu
datum Milník
2006 111 Gbit/s podle NTT .
2009 100 Pbit/s · km (15,5 Tbit/s přes jedno vlákno 7000 km) od Bell Labs.
2011 101 Tbit/s (370 kanálů po 273 Gbit/s každý) na jednom jádru.
Leden 2013 Přenos 1,05 Pbit/s přes vícežilový vláknový kabel.
červen 2013 400 Gbit/s přes jeden kanál pomocí 4-režimového orbitálního momentového multiplexování .

U aplikací na krátké vzdálenosti, jako je síť v kancelářské budově (viz vlákno do kanceláře ), může kabeláž z optických vláken ušetřit místo v kabelových kanálech. Důvodem je, že jedno vlákno může přenášet mnohem více dat než elektrické kabely, jako je standardní kabel kategorie 5 , který obvykle běží rychlostí 100 Mbit/s nebo 1 Gbit/s.

Vlákna se často používají také pro spojení na krátkou vzdálenost mezi zařízeními. Například většina televizorů s vysokým rozlišením nabízí digitální audio optické připojení. To umožňuje streamování zvuku přes světlo pomocí protokolu S/PDIF přes optické připojení TOSLINK .

Senzory

Vlákna mají mnoho využití v dálkovém průzkumu. V některých aplikacích je senzor sám o sobě optickým vláknem. Vlákna se používají k vedení záření do senzoru, kde se měří. V ostatních případech se k připojení senzoru k měřicímu systému používá vlákno.

Optická vlákna lze použít jako senzory pro měření napětí , teploty , tlaku a dalších veličin úpravou vlákna tak, aby měřená vlastnost modulovala intenzitu , fázi , polarizaci , vlnovou délku nebo dobu průchodu světla ve vlákně. Senzory, které mění intenzitu světla, jsou nejjednodušší, protože jsou zapotřebí pouze jednoduchý zdroj a detektor. Zvláště užitečnou vlastností těchto senzorů z optických vláken je, že mohou v případě potřeby poskytovat distribuované snímání na vzdálenosti až jednoho metru. Naproti tomu vysoce lokalizovaná měření lze zajistit integrací miniaturizovaných snímacích prvků se špičkou vlákna. Ty mohou být implementovány různými mikro- a nanofabrikačními technologiemi tak, aby nepřekračovaly mikroskopické hranice špičky vlákna, což umožňuje takové aplikace, jako je zavedení do krevních cév pomocí podkožní jehly.

Vnější senzory s optickými vlákny používají k přenosu modulovaného světla buď optický senzor bez vláken, nebo elektronický senzor připojený k optickému vysílači kabel z optických vláken , obvykle více režimový. Hlavní výhodou externích senzorů je jejich schopnost dosáhnout jinak nepřístupných míst. Příkladem je měření teploty uvnitř proudových motorů pomocí vlákna k přenosu záření do pyrometru mimo motor. Vnější senzory lze použít stejným způsobem k měření vnitřní teploty elektrických transformátorů , kde extrémní přítomná elektromagnetická pole znemožňují další měřicí techniky. Vnější senzory měří vibrace, rotace, výtlak, rychlost, zrychlení, točivý moment a torze. Byla vyvinuta polovodičová verze gyroskopu využívající interference světla. Optickými vlákny gyroskop (FOG) nemá žádné pohyblivé části, a využívá efektu Sagnac pro detekci mechanického otáčení.

Mezi běžné použití senzorů s optickými vlákny patří pokročilé zabezpečovací systémy detekce narušení. Světlo je přenášeno po kabelu senzoru z optických vláken umístěném na plotu, potrubí nebo komunikační kabeláži a vrácený signál je monitorován a analyzován na poruchy. Tento návratový signál je digitálně zpracován, aby detekoval poruchy a aktivoval alarm, pokud došlo k narušení.

Optická vlákna jsou široce používána jako součásti optických chemických senzorů a optických biosenzorů .

Přenos síly

Optické vlákno lze použít k přenosu energie pomocí fotovoltaického článku k přeměně světla na elektřinu. I když tento způsob přenosu energie není tak účinný jako konvenční, je zvláště užitečný v situacích, kdy je žádoucí nemít kovový vodič, jako v případě použití v blízkosti strojů MRI, které produkují silná magnetická pole. Další příklady jsou pro napájení elektroniky v vysoce výkonných anténních prvcích a měřicích zařízeních používaných ve vysokonapěťových přenosových zařízeních.

Jiné použití

Frisbee osvětlena vláknové optiky
Světlo odražené od optického vlákna osvětluje vystavený model
Použití optického vlákna v dekorativní lampě nebo nočním světle

Optická vlákna se používají jako světlovody v lékařských a jiných aplikacích, kde je třeba na cíl zazářit jasné světlo bez jasné dráhy přímého výhledu. Mnoho mikroskopů využívá světelné zdroje s optickými vlákny k zajištění intenzivního osvětlení studovaných vzorků.

Optické vlákno se také používá v zobrazovací optice. Koherentní svazek vláken se používá, někdy spolu s čočkami, pro dlouhé, tenké zobrazovací zařízení nazývané endoskop , které slouží k prohlížení předmětů malým otvorem. Lékařské endoskopy se používají pro minimálně invazivní průzkumné nebo chirurgické zákroky. Průmyslové endoskopy (viz fibroskop nebo boroskop ) se používají ke kontrole čehokoli těžko dostupného, ​​například interiéru tryskových motorů.

V některých budovách směrují optická vlákna sluneční světlo ze střechy do jiných částí budovy (viz nezobrazovací optika ). Lampy z optických vláken se používají k osvětlení v dekorativních aplikacích, včetně nápisů , umění , hraček a umělých vánočních stromků . Optická vlákna jsou nedílnou součástí stavebního výrobku LiTraCon pro přenos světla .

Optické vlákno lze také použít při strukturálním monitorování zdraví . Tento typ senzoru je schopen detekovat napětí, která mohou mít trvalý dopad na struktury . Je založen na principu měření analogového útlumu.

Ve spektroskopii svazky optických vláken přenášejí světlo ze spektrometru na látku, kterou nelze umístit do samotného spektrometru, za účelem analýzy jejího složení. Spektrometr analyzuje látky odrazem světla a skrz ně. Pomocí vláken lze ke vzdálenému studiu objektů použít spektrometr.

Optické vlákno dopované s určitými prvky vzácných zemin , jako je erbium mohou být použity jako média pro zesílení jednoho laseru nebo optický zesilovač . Optická vlákna dotovaná vzácnými zeminami lze použít k zajištění zesílení signálu spojením krátké části dopovaného vlákna do pravidelné (nedopované) linie optických vláken. Dopované vlákno je opticky čerpáno druhou vlnovou délkou laseru, která je kromě signálové vlny spojena s čárou. Obě vlnové délky světla jsou přenášeny dopovaným vláknem, které přenáší energii z vlnové délky druhého čerpadla do signální vlny. Proces, který způsobuje zesílení, je stimulovaná emise .

Optické vlákno je také široce využíváno jako nelineární médium. Skleněné médium podporuje řadu nelineárních optických interakcí a dlouhé interakční délky možné u vláken usnadňují řadu jevů, které jsou využívány pro aplikace a základní vyšetřování. Naopak nelinearita vláken může mít škodlivé účinky na optické signály a k minimalizaci těchto nežádoucích účinků jsou často zapotřebí opatření.

Optická vlákna dopovaná měničem vlnových délek shromažďují ve fyzikálních experimentech scintilační světlo .

Mířidla s optickými vlákny na ruční zbraně, pušky a brokovnice používají kusy optických vláken ke zlepšení viditelnosti označení na mířidle.

Princip činnosti

Přehled provozních principů optického vlákna

Optické vlákno je válcový dielektrický vlnovod ( nevodivý vlnovod), který přenáší světlo podél své osy procesem úplného vnitřního odrazu . Vlákno se skládá z jádra obklopeného obkladovou vrstvou, přičemž obě jsou vyrobena z dielektrických materiálů. Aby se omezil optický signál v jádru, musí být index lomu jádra větší než index pláště. Hranice mezi jádrem a pláštěm může být buď náhlá, u vláken s krokovým indexem , nebo postupná, u vláken s odstupňovaným indexem . Světlo lze přivádět do optických vláken pomocí laserů nebo LED diod.

Vlákno je imunní vůči elektrickému rušení; nedochází ke křížové komunikaci mezi signály v různých kabelech a k žádnému zachycování hluku z okolí. Informace putující dovnitř optického vlákna jsou dokonce imunní vůči elektromagnetickým pulzům generovaným jadernými zařízeními.

Vláknové kabely nevedou elektřinu, což činí vlákno užitečné pro ochranu komunikačních zařízení v prostředích vysokého napětí, jako jsou zařízení na výrobu energie nebo aplikace náchylné k úderu blesku . Elektrická izolace také předchází problémům se zemními smyčkami . Protože v optických kabelech není elektřina, která by mohla potenciálně vytvářet jiskry, lze je použít v prostředí, kde jsou přítomny výbušné výpary. Odposlechy (v tomto případě odposlechy vláken ) jsou ve srovnání s elektrickými přípojkami obtížnější.

Vláknové kabely nejsou zaměřeny na krádeže kovů . Naproti tomu měděné kabelové systémy využívají velké množství mědi a byly cíleny od boomu komodit z roku 2000 .

Index lomu

Index lomu je způsob měření rychlosti světla v materiálu. Světlo se nejrychleji šíří ve vakuu , například ve vesmíru. Rychlost světla ve vakuu je asi 300 000 kilometrů (186 000 mil) za sekundu. Index lomu média se vypočítá vydělením rychlosti světla ve vakuu rychlostí světla v tomto médiu. Index lomu vakua je tedy podle definice 1. Typické jednovidové vlákno používané pro telekomunikace má plášť vyrobený z čistého oxidu křemičitého s indexem 1,444 při 1500 nm a jádro dopovaného oxidu křemičitého s indexem kolem 1,4475. Čím větší je index lomu, tím pomalejší světlo se v tomto médiu pohybuje. Z těchto informací vyplývá jednoduché pravidlo, že signál využívající ke komunikaci optické vlákno bude cestovat rychlostí přibližně 200 000 kilometrů za sekundu. Telefonní hovor přenášený vláknem mezi Sydney a New Yorkem, vzdálenost 16 000 kilometrů, znamená, že mezi tím, když jeden volající mluví a druhý slyší, je minimální prodleva 80 milisekund (asi jedna sekunda).

Totální vnitřní odraz

Když světlo cestující v opticky hustém médiu narazí na hranici ve strmém úhlu (větším než je kritický úhel pro hranici), světlo se zcela odrazí. Tomu se říká totální vnitřní odraz . Tento efekt se používá v optických vláknech k omezení světla v jádru. Většina moderních optických vláken je slabě navádějící , což znamená, že rozdíl v indexu lomu mezi jádrem a pláštěm je velmi malý (obvykle méně než 1%). Světlo prochází jádrem vlákna a odráží se tam a zpět od hranice mezi jádrem a opláštěním.

Protože světlo musí dopadat na hranici pod úhlem větším než je kritický úhel, může po vlákně putovat pouze světlo, které vstupuje do vlákna v určitém rozsahu úhlů, aniž by uniklo. Tento rozsah úhlů se nazývá akceptační kužel vlákna. Od osy vlákna je maximální úhel, pod kterým může světlo vstupovat do vlákna, takže se bude šířit nebo cestovat v jádru vlákna. Sinus tohoto maximálního úhlu je numerická apertura (NA) vlákna. Vlákna s větší NA vyžadují menší přesnost při spojování a práci s nimi než vlákna s menší NA. Velikost tohoto akceptačního kužele je funkcí rozdílu indexu lomu mezi jádrem vlákna a pláštěm. Jednovidové vlákno má malou NA.

Vícerežimové vlákno

Laser poskakující po akrylové tyči, znázorňující celkový vnitřní odraz světla ve vícerežimovém optickém vláknu.

Vlákna s velkým průměrem jádra (větší než 10 mikrometrů) lze analyzovat geometrickou optikou . Takové vlákno se nazývá elektromagnetické vlákno z elektromagnetické analýzy (viz níže). U vícerežimového vlákna s krokovým indexem jsou paprsky světla vedeny podél jádra vlákna úplným vnitřním odrazem. Paprsky, které splňují hranici opláštění jádra pod vysokým úhlem (měřeno vzhledem k přímce kolmé k hranici), větší než kritický úhel pro tuto hranici, se zcela odrážejí. Kritický úhel (minimální úhel pro celkový vnitřní odraz) je určen rozdílem v indexu lomu mezi jádrovými a obkladovými materiály. Paprsky, které se v nízkém úhlu setkávají s hranicí, se lámou od jádra do pláště a nepředávají světlo, a tedy ani informace, podél vlákna. Kritický úhel určuje akceptační úhel vlákna, často uváděný jako číselná clona . Vysoká numerická clona umožňuje šíření světla po vláknech paprsky v blízkosti osy a v různých úhlech, což umožňuje účinné propojení světla s vláknem. Tato vysoká numerická clona však zvyšuje množství disperze, protože paprsky v různých úhlech mají různé délky dráhy, a proto procházení vlákna trvá různě dlouho .

Typy optických vláken.

U vláken s odstupňovaným indexem index lomu v jádru mezi osou a pláštěm kontinuálně klesá. To způsobí, že se světelné paprsky hladce ohýbají, když se přibližují k opláštění, než aby se náhle odrážely od hranice jádrového pláště. Výsledné zakřivené cesty snižují disperzi více cest, protože paprsky s vysokým úhlem procházejí více periferií jádra s nižším indexem než středem s vysokým indexem. Indexový profil je zvolen tak, aby se minimalizoval rozdíl v rychlostech axiálního šíření různých paprsků ve vlákně. Tento ideální indexový profil je velmi blízko parabolickému vztahu mezi indexem a vzdáleností od osy.

Jednovidové vlákno

Struktura typického jednovidového vlákna .
1. Jádro: průměr 8 µm
2. Plášť: průměr 125 µm.
3. Pufr: průměr 250 µm.
4. Bunda: průměr 400 µm.

Vlákno s průměrem jádra menším než asi desetinásobkem vlnové délky šířícího se světla nelze modelovat pomocí geometrické optiky. Místo toho musí být analyzována jako elektromagnetická struktura vlnovodu řešením Maxwellových rovnic redukována na rovnici elektromagnetických vln . Elektromagnetická analýza může být také vyžadována k porozumění chování, jako je skvrna, ke kterému dochází, když se koherentní světlo šíří ve vícerežimovém vláknu. Jako optický vlnovod vlákno podporuje jeden nebo více omezených příčných režimů , kterými se světlo může šířit podél vlákna. Vlákno podporující pouze jeden režim se nazývá vlákno v jednom režimu nebo v jednom režimu . Chování vícejádrového vícerežimového vlákna lze také modelovat pomocí vlnové rovnice, která ukazuje, že takové vlákno podporuje více než jeden způsob šíření (odtud název). Výsledky takového modelování vícemódových vláken přibližně souhlasí s předpověďmi geometrické optiky, pokud je jádro vlákna dostatečně velké, aby podporovalo více než několik režimů.

Analýza vlnovodu ukazuje, že světelná energie ve vlákně není zcela uzavřena v jádru. Místo toho, zejména u jednovidových vláken, významná část energie v vázaném režimu putuje v plášti jako pomíjivá vlna .

Nejběžnější typ jednovidových vláken má průměr jádra 8–10 mikrometrů a je určen k použití v blízké infračervené oblasti . Struktura režimu závisí na vlnové délce použitého světla, takže toto vlákno ve skutečnosti podporuje malý počet dalších režimů na viditelných vlnových délkách. Pro srovnání je vícerežimové vlákno vyráběno s průměrem jádra malým 50 mikrometrů a stovkami mikrometrů. Normalizovaná frekvence V této vlákna by měla být menší než první nuly na Besselovy funkce J 0 (přibližně 2,405).

Speciální vlákno

Některá speciální optická vlákna jsou konstruována s neválcovým jádrem a/nebo obkladovou vrstvou, obvykle s eliptickým nebo obdélníkovým průřezem. Patří sem vlákno udržující polarizaci a vlákno určené k potlačení šíření šeptajícího galerijního režimu . Vlákno udržující polarizaci je jedinečný typ vlákna, které se běžně používá v senzorech z optických vláken díky své schopnosti udržovat polarizaci světla do něj vloženého.

Vlákno z fotonických krystalů je vyrobeno s pravidelným vzorem variací indexu (často ve formě válcových otvorů, které probíhají po délce vlákna). Takové vlákno využívá difrakční efekty namísto nebo kromě celkového vnitřního odrazu, aby omezilo světlo na jádro vlákna. Vlastnosti vlákna lze přizpůsobit široké škále aplikací.

Mechanismy útlumu

Experimentální křivka útlumu multimodového oxidu křemičitého a vlákna ZBLAN.
Teoretická spektra ztrát (útlum, dB/km) pro silikátová optická vlákna (přerušovaná modrá čára) a typické optické vlákno ZBLAN (plná šedá čára) jako funkce vlnové délky (mikrony).

Útlum ve vláknové optice, také známý jako ztráta přenosu, je snížení intenzity světelného paprsku (nebo signálu) při jeho přenosu přenosovým médiem. Koeficienty útlumu ve vláknové optice obvykle používají jednotky dB/km médiem kvůli relativně vysoké kvalitě transparentnosti moderních optických přenosových médií. Médiem je obvykle vlákno ze silikonového skla, které omezuje dopadající světelný paprsek dovnitř. Pro aplikace vyžadující spektrální vlnové délky, zejména ve střední infračervené oblasti ~ 2–7 μm, představují lepší alternativu fluoridová skla jako ZBLAN a I nF 3 . Útlum je důležitým faktorem omezujícím přenos digitálního signálu na velké vzdálenosti. Mnoho výzkumů se tedy věnovalo jak omezení útlumu, tak maximalizaci zesílení optického signálu. Ve skutečnosti jde o čtyři řády snížení útlumu optických vláken oxidu křemičitého během čtyř desetiletí (z ~ 1000 dB/km v roce 1965 na ~ 0,17 dB/km v roce 2005), jak je zdůrazněno na sousedním obrázku (body černého trojúhelníku; šedá šipky), byl výsledkem neustálého zlepšování výrobních postupů, čistoty surovin, předlisků a návrhů vláken, což těmto vláknům umožňovalo přiblížit se k teoretické dolní hranici útlumu.

Empirický výzkum ukázal, že útlum v optických vláknech je způsoben především rozptylem a absorpcí . Jednomódová optická vlákna lze vyrobit s extrémně nízkými ztrátami. Vlákno Corning SMF-28, standardní jednovidové vlákno pro telekomunikační vlnové délky, má ztrátu 0,17 dB/km při 1550 nm. Například 8 km dlouhý SMF-28 propouští téměř 75% světla při 1550 nm. Bylo poznamenáno, že pokud byla oceánská voda čistá jako vlákno, bylo by možné vidět až na dno dokonce do Mariánského příkopu v Tichém oceánu, do hloubky 11 000 metrů (36 000 stop).

Rozptyl světla

Zrcadlový odraz
Difúzní odraz

Šíření světla jádrem optického vlákna je založeno na celkovém vnitřním odrazu světelné vlny. Drsné a nepravidelné povrchy, dokonce i na molekulární úrovni, mohou způsobit odraz světelných paprsků v náhodných směrech. Toto se nazývá difúzní odraz nebo rozptyl a obvykle se vyznačuje širokou škálou úhlů odrazu.

Rozptyl světla závisí na vlnové délce rozptýleného světla. Vzniká tedy omezení prostorových měřítek viditelnosti v závislosti na frekvenci dopadající světelné vlny a fyzickém rozměru (nebo prostorovém měřítku) rozptylového centra, které je typicky ve formě nějakého specifického mikrostrukturálního znaku. Protože viditelné světlo má vlnovou délku řádově jeden mikrometr (miliontinu metru), budou mít rozptylová centra rozměry v podobném prostorovém měřítku.

Útlum je tedy důsledkem nesouvislého rozptylu světla na vnitřních površích a rozhraních . V (poly) krystalických materiálech, jako jsou kovy a keramika, je kromě pórů většina vnitřních povrchů nebo rozhraní ve formě hranic zrn, které oddělují drobné oblasti krystalického řádu. Nedávno bylo ukázáno, že když je velikost rozptylového centra (nebo hranice zrn) zmenšena pod velikost vlnové délky rozptylovaného světla, k rozptylu již nedochází v žádné významné míře. Tento jev vedl k výrobě transparentních keramických materiálů .

Podobně je rozptyl světla ve skleněných vláknech optické kvality způsoben nepravidelnostmi molekulární úrovně (kolísáním složení) ve skleněné struktuře. Skutečně se objevuje jeden myšlenkový proud, že sklo je jednoduše limitujícím případem polykrystalické pevné látky. V tomto rámci se „domény“ vykazující různé stupně řádu krátkého dosahu stávají stavebními kameny jak kovů a slitin, tak sklenic a keramiky. Mezi těmito oblastmi i uvnitř těchto domén jsou distribuovány mikrostrukturální defekty, které poskytují nejideálnější místa pro rozptyl světla. Tento stejný jev je považován za jeden z omezujících faktorů průhlednosti kopulí infračervených střel.

Při vysokých optických výkonech může být rozptyl způsoben také nelineárními optickými procesy ve vlákně.

Absorpce UV-Vis-IR

Kromě rozptylu světla může docházet také k útlumu nebo ztrátě signálu v důsledku selektivní absorpce specifických vlnových délek, podobným způsobem, jaký je zodpovědný za vzhled barvy. Aspekty primárního materiálu zahrnují elektrony i molekuly následovně:

  • Na elektronické úrovni to závisí na tom, zda jsou elektronové orbitaly rozmístěny (nebo „kvantovány“) tak, aby mohly absorbovat kvantum světla (nebo fotonu) o specifické vlnové délce nebo frekvenci v ultrafialovém (UV) nebo viditelném rozsahu. Díky tomu vzniká barva.
  • Na atomové nebo molekulární úrovni závisí na frekvencích atomových nebo molekulárních vibrací nebo chemických vazeb, na tom, jak těsně jsou zabaleny jeho atomy nebo molekuly, a zda atomy nebo molekuly vykazují řád dlouhého dosahu. Tyto faktory budou určovat kapacitu materiálu přenášejícího delší vlnové délky v infračerveném (IR), vzdáleném IR, rádiovém a mikrovlnném rozsahu.

Konstrukce jakéhokoli opticky transparentního zařízení vyžaduje výběr materiálů na základě znalosti jeho vlastností a omezení. Tyto Příhradové absorpční vlastnosti pozorované v oblastech s nižší frekvencí (střední IR daleko-infračervené oblasti vlnových délek) definují hranici dlouhých vlnových délkách průhlednost materiálu. Jsou výsledkem interaktivní vazby mezi pohyby tepelně indukovaných vibrací atomů složek a molekul pevné mřížky a záření dopadající světelné vlny. Všechny materiály jsou tedy ohraničeny omezujícími oblastmi absorpce způsobenými atomovými a molekulárními vibracemi (natahování vazeb) ve vzdáleném infračerveném záření (> 10 µm).

K absorpci více fononů tedy dochází, když dva nebo více fononů současně interagují za vzniku elektrických dipólových momentů, se kterými se může dopadající záření spojit. Tyto dipóly mohou absorbovat energii z dopadajícího záření a dosáhnout maximální vazby na záření, když je frekvence stejná jako základní vibrační režim molekulárního dipólu (např. Vazba Si – O) ve vzdáleném infračerveném spektru nebo jedné z jeho harmonických.

K selektivní absorpci infračerveného (IR) světla konkrétním materiálem dochází, protože zvolená frekvence světelné vlny odpovídá frekvenci (nebo celému násobku frekvence), při které částice tohoto materiálu vibrují. Protože různé atomy a molekuly mají různé přirozené frekvence vibrací, budou selektivně absorbovat různé frekvence (nebo části spektra) infračerveného (IR) světla.

K odrazu a přenosu světelných vln dochází, protože frekvence světelných vln neodpovídají přirozeným rezonančním frekvencím vibrací předmětů. Když infračervené světlo těchto frekvencí dopadne na objekt, energie se buď odrazí, nebo se přenáší.

Ztrátový rozpočet

Útlum přes kabelové vedení je výrazně zvýšen zahrnutím konektorů a spojů. Při výpočtu přijatelného útlumu (ztrátového rozpočtu) mezi vysílačem a přijímačem jeden zahrnuje:

  • ztráta dB v důsledku typu a délky kabelu z optických vláken,
  • Ztráta dB zavedená konektory a
  • Ztráta dB zavedená spojkami.

Konektory na dobře vyleštěných konektorech obvykle uvádějí 0,3 dB na konektor. Spoje typicky zavádějí méně než 0,3 dB na spoj.

Celkovou ztrátu lze vypočítat podle:

Ztráta = ztráta dB na konektor × počet konektorů + ztráta dB na spoj × počet spojů + ztráta dB na kilometr × kilometr vlákna,

kde ztráta dB na kilometr je funkcí typu vlákna a lze ji nalézt ve specifikacích výrobce. Například typické 1550 nm vlákno v jednom režimu má ztrátu 0,4 dB na kilometr.

Vypočtený rozpočet ztrát se používá při testování k potvrzení, že naměřená ztráta je v rámci normálních provozních parametrů.

Výrobní

Materiály

Skleněná optická vlákna jsou téměř vždy vyrobena z oxidu křemičitého , ale některé další materiály, jako jsou fluorozirkonátové , fluoroaluminátové a chalkogenidové brýle , stejně jako krystalické materiály jako safír , se používají pro infračervené nebo jiné specializované aplikace s delší vlnovou délkou. Skla z oxidu křemičitého a fluoridu mají obvykle indexy lomu asi 1,5, ale některé materiály, jako jsou chalkogenidy, mohou mít indexy až 3. Obvykle je indexový rozdíl mezi jádrem a pláštěm menší než jedno procento.

Plastová optická vlákna (POF) jsou obvykle vícerežimová vlákna s krokovým indexem s průměrem jádra 0,5 milimetru nebo větším. POF má obvykle vyšší koeficienty útlumu než skleněná vlákna, 1 dB/m nebo vyšší, a tento vysoký útlum omezuje rozsah systémů založených na POF.

Oxid křemičitý

Oxid křemičitý vykazuje poměrně dobrý optický přenos v širokém rozsahu vlnových délek. V blízké infračervené (blízké IR) části spektra, zejména kolem 1,5 μm, může mít oxid křemičitý extrémně nízké absorpční a rozptylové ztráty řádově 0,2 dB/km. Tak pozoruhodně nízké ztráty jsou možné pouze proto, že je k dispozici ultra čistý křemík, který je nezbytný pro výrobu integrovaných obvodů a diskrétních tranzistorů. Vysoké transparentnosti v oblasti 1,4 μm je dosaženo udržováním nízké koncentrace hydroxylových skupin (OH). Alternativně je pro přenos v ultrafialové (UV) oblasti lepší vysoká koncentrace OH .

Oxid křemičitý může být tažen do vláken při přiměřeně vysokých teplotách a má poměrně široký rozsah transformace skla . Jednou další výhodou je, že fúzní spojování a štěpení vláken oxidu křemičitého je relativně účinné. Silikátové vlákno má také vysokou mechanickou pevnost proti tahu i rovnoměrnému ohýbání za předpokladu, že vlákno není příliš silné a že povrchy byly během zpracování dobře připraveny. I jednoduché štěpení (lámání) konců vlákna může poskytnout pěkně ploché povrchy s přijatelnou optickou kvalitou. Křemík je také relativně chemicky inertní . Zejména není hygroskopický (neabsorbuje vodu).

Silikátové sklo lze dopovat různými materiály. Jedním z cílů dopování je zvýšit index lomu (např germania uhličitým (GEO 2 ) nebo oxidu hlinitého (Al 2 O 3 )), nebo ji snížit (například s fluorem nebo boritý oxid (B 2 O 3 )). Doping je také možný s laserově aktivními ionty (například vlákny dotovanými vzácnými zeminami) za účelem získání aktivních vláken, která mají být použita například v zesilovačích vláken nebo laserových aplikacích. Vláknové jádro i plášť jsou typicky dopovány, takže celá sestava (jádro a plášť) je ve skutečnosti stejná sloučenina (např. Hlinitokřemičitan , germanosilikát, fosfosilikát nebo borosilikátové sklo ).

Zejména pro aktivní vlákna není čistý oxid křemičitý obvykle příliš vhodným hostitelským sklem, protože vykazuje nízkou rozpustnost pro ionty vzácných zemin. To může vést ke zhášení vlivem shlukování příměsí iontů. Aluminosilikáty jsou v tomto ohledu mnohem účinnější.

Silikátové vlákno také vykazuje vysoký práh pro optické poškození. Tato vlastnost zajišťuje nízkou tendenci k laserem indukovanému rozpadu. To je důležité pro vláknové zesilovače, pokud jsou použity pro zesílení krátkých impulsů.

Díky těmto vlastnostem jsou křemičitá vlákna materiálem volby v mnoha optických aplikacích, jako jsou komunikace (s výjimkou velmi krátkých vzdáleností s plastovými optickými vlákny), vláknové lasery, zesilovače vláken a senzory z optických vláken. Velké úsilí vynaložené na vývoj různých typů křemičitých vláken dále zvýšilo výkonnost těchto vláken oproti jiným materiálům.

Fluoridové sklo

Fluoridové sklo je třída neoxidových skel optické kvality složených z fluoridů různých kovů . Kvůli jejich nízké viskozitě je velmi obtížné zcela se vyhnout krystalizaci při jejím zpracování skelným přechodem (nebo tažením vlákna z taveniny). Ačkoli tedy fluoridová skla těžkých kovů (HMFG) vykazují velmi nízký optický útlum, jsou nejen obtížně vyrobitelná, ale jsou také velmi křehká a mají špatnou odolnost proti vlhkosti a dalším environmentálním útokům. Jejich nejlepším atributem je, že postrádají absorpční pás spojený s hydroxylovou (OH) skupinou (3 200–3 600 cm −1 ; tj. 2 777–3 125 125 nm nebo 2,78–3,13 μm), který je přítomen téměř ve všech sklech na bázi oxidu.

Příkladem fluoridového skla s těžkými kovy je skleněná skupina ZBLAN složená ze zirkonia , barya , lanthanu , hliníku a fluoridů sodíku . Jejich hlavní technologickou aplikací jsou optické vlnovody v rovinné i vláknové formě. Jsou výhodné zejména ve střední infračervené oblasti (2 000–5 000 nm).

HMFG byly původně určeny pro aplikace s optickými vlákny, protože vnitřní ztráty středního infračerveného vlákna by v zásadě mohly být nižší než u křemičitých vláken, která jsou transparentní pouze do asi 2 μm. Tak nízké ztráty však nebyly v praxi nikdy realizovány a křehkost a vysoké náklady na fluoridová vlákna je považovaly za primární kandidáty méně než ideální. Později byla objevena užitečnost fluoridových vláken pro různé další aplikace. Patří sem mid- IR spektroskopie , senzory z optických vláken , termometrie a zobrazování . Fluoridová vlákna mohou být také použita pro řízený přenos světelných vln v médiích, jako jsou lasery YAG ( yttrium aluminium granát ) na 2,9 μm, jak je požadováno pro lékařské aplikace (např. Oftalmologie a zubní lékařství ).

Fosfátové sklo

Klecová struktura P 4 O 10 - základní stavební kámen pro fosfátové sklo

Fosfátové sklo představuje třídu optických skel složených z metafosfátů různých kovů. Místo čtyřstěnů SiO 4 pozorovaných v silikátových sklech je stavebním kamenem tohoto sklářského materiálu oxid fosforečný (P 2 O 5 ), který krystalizuje v nejméně čtyřech různých formách. Nejznámější polymorf (viz obrázek) obsahuje molekuly P 4 O 10 .

Fosfátová skla mohou být výhodná oproti křemičitým sklům pro optická vlákna s vysokou koncentrací dopujících iontů vzácných zemin. Směs fluoridového skla a fosfátového skla je fluorofosfátové sklo.

Chalkogenidové sklo

Chalkogeny -The prvky ve skupině 16 z periodické tabulky -particularly síry (S), selen (Se) a tellur (Te) -react s více electropositive prvků, jako je stříbro , za vzniku chalkogenidy . Jedná se o extrémně univerzální sloučeniny, protože mohou být krystalické nebo amorfní, kovové nebo polovodivé a vodiče iontů nebo elektronů . Sklo obsahující chalkogenidy lze použít k výrobě vláken pro dálkový infračervený přenos.

Proces

Předlisek

Ilustrace modifikovaného procesu chemické depozice par (uvnitř)

Standardní optická vlákna se vyrábějí tak, že se nejprve zkonstruuje „předlisek“ s velkým průměrem s pečlivě kontrolovaným profilem indexu lomu a poté se „táhne“ předlisek, aby se vytvořilo dlouhé tenké optické vlákno. Předlisek je běžně vyráběn třemi metodami chemické depozice par : uvnitř depozice par , venku depozice par a axiální depozice par .

S vnitřním napařováním začíná předlisek jako dutá skleněná trubice dlouhá přibližně 40 cm (16 palců), která je umístěna horizontálně a pomalu se otáčí na soustruhu . Plyny, jako je chlorid křemičitý (SiCl 4 ) nebo chlorid německý (GeCl 4 ), se na konci trubice vstřikují kyslíkem . Plyny se poté zahřívají pomocí externího vodíkového hořáku, čímž se teplota plynu zvýší až na 1 900  K (1 600 ° C, 3 000 ° F), kde tetrachloridy reagují s kyslíkem a vytvářejí částice oxidu křemičitého nebo germania (oxidu germania). Když jsou reakční podmínky zvoleny tak, aby umožnily tuto reakci probíhat v plynné fázi v celém objemu trubice, na rozdíl od dřívějších technik, kde k reakci došlo pouze na povrchu skla, se tato technika nazývá modifikovaná chemická depozice z plynné fáze (MCVD) .

Částice oxidu se poté aglomerují a vytvářejí velké částicové řetězce, které se následně ukládají na stěny trubice jako saze. Usazování je způsobeno velkým teplotním rozdílem mezi jádrem plynu a stěnou, což způsobuje, že plyn tlačí částice ven (toto je známé jako termoforéza ). Hořák se poté pohybuje nahoru a dolů po délce trubice, aby se materiál rovnoměrně ukládal. Poté, co hořák dosáhne konce trubice, je poté přiveden zpět na začátek trubice a nanesené částice jsou poté roztaveny na pevnou vrstvu. Tento postup se opakuje, dokud není uloženo dostatečné množství materiálu. Složení pro každou vrstvu lze upravit změnou složení plynu, což vede k přesné kontrole optických vlastností hotového vlákna.

Při vnější parní depozici nebo parní axiální depozici vzniká sklo plamenovou hydrolýzou , reakcí, při které se oxiduje chlorid křemičitý a chlorid germania reakcí s vodou (H 2 O) v kyslíkovodíku . Při vnější parní depozici se sklo nanáší na pevnou tyč, která se před dalším zpracováním odstraní. Při parní axiální depozici se používá krátká semenná tyč a na jejím konci se vytvoří porézní předlisek, jehož délka není omezena velikostí zdrojové tyče. Porézní předlisek se konsoliduje do průhledného pevného předlisku zahřátím na přibližně 1 800 K (1 500 ° C, 2 800 ° F).

Průřez vlákna taženého z předlisku ve tvaru D.

Typické komunikační vlákno používá kruhový předlisek. Pro některé aplikace, jako jsou dvojitě plátovaná vlákna, je upřednostňována jiná forma. U vláknových laserů na bázi dvojitě plátovaných vláken asymetrický tvar zlepšuje plnící faktor pro laserové čerpání .

Kvůli povrchovému napětí je tvar během procesu tažení vyhlazován a tvar výsledného vlákna nereprodukuje ostré hrany předlisku. Přesto je důležité pečlivé vyleštění předlisku, protože jakékoli vady povrchu předlisku ovlivňují optické a mechanické vlastnosti výsledného vlákna. Zejména předlisek pro testovací vlákno zobrazený na obrázku nebyl dobře vyleštěn a pomocí konfokálního optického mikroskopu jsou vidět trhliny .

Výkres

Předlisek, jakkoli je zkonstruován, je umístěn do zařízení známého jako tažná věž , kde se hrot předlisku zahřívá a optické vlákno se vytáhne jako provázek. Měřením výsledné šířky vlákna lze řídit napětí na vlákně, aby byla zachována tloušťka vlákna.

Nátěry

Světlo je vedeno po jádru vlákna optickým pláštěm s nižším indexem lomu, které zachycuje světlo v jádru úplným vnitřním odrazem.

Obklad je potažen nárazníkem, který jej chrání před vlhkostí a fyzickým poškozením. Pufrovací povlak je to, co se odstraní z vlákna pro ukončení nebo spojení. Tyto povlaky jsou UV-vytvrzené uretanakrylátové kompozitní nebo polyimidové materiály nanesené na vnější stranu vlákna během procesu tažení. Povlaky chrání velmi jemné prameny skleněných vláken - přibližně jako lidský vlas - a umožňují jim přežít náročné podmínky výroby, zkušebního testování, kabeláže a instalace.

Dnešní postupy tažení skleněných optických vláken využívají dvouvrstvý povlak. Vnitřní primární povlak je navržen tak, aby fungoval jako tlumič nárazů a minimalizoval útlum způsobený mikrobendováním. Vnější sekundární povlak chrání primární povlak před mechanickým poškozením a působí jako bariéra proti bočním silám a může být barevný pro odlišení vláken ve svazkových kabelových konstrukcích.

Tyto potahové vrstvy z optických vláken se nanášejí během tažení vláken rychlostí blížící se 100 kilometrům za hodinu (60 mph). Nátěry z optických vláken se nanášejí jednou ze dvou metod: mokré na suché a mokré na mokré . Za mokra-na-sucho vlákno prochází aplikací primárního povlaku, která je poté vytvrzena UV zářením-poté sekundární aplikací povlaku, která je následně vytvrzena. Při mokrém za mokra vlákno prochází jak primárním, tak sekundárním nanášením povlaku, poté přechází do UV vytvrzování.

Povlaky z optických vláken se nanášejí v soustředných vrstvách, aby se zabránilo poškození vlákna během aplikace tažení a aby se maximalizovala pevnost vlákna a odolnost proti mikrobendům. Nerovnoměrně potažené vlákno bude působit nerovnoměrnými silami, když se povlak roztahuje nebo smršťuje, a je náchylný k většímu zeslabení signálu. Při správném tažení a povlékání jsou povlaky soustředné kolem vlákna, souvislé po celé délce aplikace a mají konstantní tloušťku.

Tloušťka povlaku se bere v úvahu při výpočtu napětí, které vlákno zažívá při různých konfiguracích ohybu. Když je potažené vlákno obaleno kolem trnu, napětí, které vlákno zažívá, je dáno

,

kde E je Youngův modul pružnosti vlákna , d m je průměr trnu, d f je průměr pláště a d c je průměr povlaku.

V konfiguraci dvoubodového ohybu je potažené vlákno ohnuto ve tvaru U a umístěno mezi drážky dvou čelních desek, které jsou spojeny, dokud se vlákno nerozbije. Napětí ve vlákně v této konfiguraci je dáno vztahem

,

kde d je vzdálenost mezi čelními deskami. Koeficient 1,198 je geometrická konstanta spojená s touto konfigurací.

Povlaky z optických vláken chrání skleněná vlákna před poškrábáním, které by mohlo vést k degradaci pevnosti. Kombinace vlhkosti a škrábanců urychluje stárnutí a zhoršování pevnosti vláken. Pokud je vlákno dlouhodobě vystaveno nízkému napětí, může dojít k únavě vláken. V průběhu času nebo v extrémních podmínkách se tyto faktory spojují a způsobují šíření mikroskopických vad ve skleněných vláknech, což může nakonec vést k selhání vláken.

Tři klíčové charakteristiky vlnovodů z optických vláken mohou být ovlivněny podmínkami prostředí: pevnost, útlum a odolnost vůči ztrátám způsobeným mikrobendováním. Vnější pláště optických vláken a vyrovnávací trubice chrání skleněná optická vlákna před okolními podmínkami, které mohou ovlivnit výkon vlákna a dlouhodobou trvanlivost. Povlaky na vnitřní straně zajišťují spolehlivost přenášeného signálu a pomáhají minimalizovat útlum způsobený mikrobendováním.

Konstrukce kabelu

V praktických vláken, plášť je obvykle potažena tvrdé pryskyřice povlaku a další vyrovnávací vrstvou, která může být dále obklopen plášťovou vrstvou, obvykle plastu. Tyto vrstvy dodávají vláknu pevnost, ale nepřispívají k jeho vlastnostem optického vedení vlny. Sestavy tuhých vláken někdy dávají mezi vlákna sklo absorbující světlo („tmavé“), aby se zabránilo prosakování světla, které uniká z jednoho vlákna, do jiného. To snižuje přeslechy mezi vlákny nebo omezuje odlesky v aplikacích pro zobrazování svazků vláken.

Moderní kabely se dodávají v široké škále plášťů a pancéřování, navržených pro aplikace, jako je přímé zakopávání v zákopech, izolace vysokého napětí, dvojí použití jako elektrické vedení, instalace v potrubí, připoutání k anténním telefonním sloupům, instalace ponorky a zasunutí do zpevněných ulic . Vícežilový kabel obvykle používá k identifikaci každého vlákna barevné povlaky a/nebo nárazníky. Náklady na malé vlákny počtu pólů namontovaných kabelů se výrazně snížil kvůli vysoké poptávce po vláknu k domácí instalaci (FTTH) v Japonsku a Jižní Koreji.

Některé verze kabelů z optických vláken jsou vyztuženy aramidovými přízemi nebo skleněnými přízemi jako mezilehlý pevnostní prvek . Z komerčního hlediska je použití skleněných nití nákladově efektivnější, aniž by došlo ke ztrátě mechanické odolnosti kabelu. Skleněné příze také chrání jádro kabelu před hlodavci a termity.

Praktické problémy

Instalace

Vláknový kabel může být velmi flexibilní, ale ztráta tradičních vláken se výrazně zvyšuje, pokud je vlákno ohnuto s poloměrem menším než přibližně 30 mm. To způsobuje problém, když je kabel ohnutý kolem rohů nebo navinutý kolem cívky, což komplikuje instalaci FTTX . „Ohybná vlákna“, zaměřená na snazší instalaci v domácím prostředí, byla standardizována jako ITU-T G.657 . Tento typ vlákna lze ohýbat s poloměrem až 7,5 mm bez nepříznivého nárazu. Byla vyvinuta ještě více ohýbatelná vlákna. Ohybné vlákno může být také odolné proti hackování vláken, při kterém je signál ve vlákně tajně monitorován ohýbáním vlákna a detekcí úniku.

Další důležitou vlastností kabelu je schopnost kabelu odolat horizontálně působící síle. Odborně se tomu říká maximální pevnost v tahu, která určuje, jakou sílu lze na kabel během instalace použít.

Ukončení a spojení

Optická vlákna jsou připojena ke koncovému zařízení pomocí konektorů optických vláken . Tyto konektory jsou obvykle standardního typu, jako jsou FC , SC , ST , LC , MTRJ , MPO nebo SMA . Optická vlákna mohou být navzájem spojena konektory nebo trvale spojením , tj. Spojením dvou vláken dohromady za vzniku spojitého optického vlnovodu. Obecně přijímanou metodou spojování je svařování elektrickým obloukem , které roztaví konce vláken společně s elektrickým obloukem . Pro rychlejší upevnění se používá „mechanické spoje“.

Fúzní spojování se provádí pomocí specializovaného nástroje. Konce vláken jsou nejprve zbaveny ochranného polymerního povlaku (stejně jako odolnějšího vnějšího pláště, je -li k dispozici). Konce se odštípnou (odstřihnou) přesným sekáčkem, aby byly kolmé, a umístí se do speciálních držáků ve fúzním svářečce. Spoj je obvykle kontrolován pomocí zvětšené obrazovky pro kontrolu štěpení před a po spoji. Svářečka používá malé motory k vyrovnání koncových ploch k sobě a vydává malou jiskru mezi elektrodami v mezeře, aby spálila prach a vlhkost. Poté svářečka vytvoří větší jiskru, která zvýší teplotu nad bod tání skla a trvale spojí konce dohromady. Umístění a energie jiskry je pečlivě kontrolována tak, aby se roztavené jádro a plášť nemíchaly, a to minimalizuje optické ztráty. Odhad ztráty spoje se měří svářečkou, směrováním světla skrz plášť na jedné straně a měřením světla unikajícího z pláště na druhé straně. Typická je ztráta spoje pod 0,1 dB. Složitost tohoto procesu činí spojování vláken mnohem obtížnějším než spojování měděného drátu.

Při instalaci se snížil kryt spoje anténních optických vláken. Jednotlivá vlákna jsou sloučena a uložena v pouzdru, aby byla chráněna před poškozením

Spoje mechanických vláken jsou navrženy tak, aby se rychleji a snadněji instalovaly, ale stále existuje potřeba odizolování, pečlivé čištění a přesné štěpení. Konce vláken jsou zarovnány a drženy pohromadě precizně vyrobeným pouzdrem, často za použití čirého gelu porovnávajícího index, který zlepšuje přenos světla přes kloub. Takové spoje mají obvykle vyšší optické ztráty a jsou méně robustní než fúzní spoje, zvláště pokud je použit gel. Všechny techniky spojování zahrnují instalaci krytu, který spoj chrání.

Vlákna jsou zakončena v konektorech, které drží konec vlákna přesně a bezpečně. Konektor z optických vláken je v podstatě tuhá válcová hlaveň obklopená pouzdrem, které drží hlaveň v odpovídající zásuvce. Pářící mechanismus může být tlačení a klikání , otáčení a západka ( bajonetový držák ) nebo šroubovací (se závitem ). Hlaveň se obvykle může volně pohybovat v objímce a může mít klíč, který zabrání otáčení hlavně a vlákna při spojení konektorů.

Typický konektor se instaluje tak, že se připraví konec vlákna a vloží se do zadní části těla konektoru. K bezpečnému uchycení vlákna se obvykle používá rychle tuhnoucí lepidlo a vzadu je zajištěno odlehčení tahu . Jakmile lepidlo ztuhne, konec vlákna je vyleštěn na zrcadlovou úpravu. Používají se různé lešticí profily, v závislosti na druhu vlákna a aplikaci. U jednovidových vláken jsou konce vláken obvykle leštěny mírným zakřivením, které způsobí, že se spojené konektory dotýkají pouze svých jader. Toto se nazývá leštění fyzického kontaktu (PC). Zakřivený povrch lze leštit pod úhlem, aby se vytvořilo spojení pod úhlem fyzického kontaktu (APC) . Taková spojení mají vyšší ztráty než připojení PC, ale výrazně omezují zpětný odraz, protože světlo, které se odráží od šikmého povrchu, uniká ven z jádra vlákna. Výsledná ztráta síly signálu se nazývá ztráta mezery . Konce vláken APC mají nízký zadní odraz, i když jsou odpojeny.

V 90. letech bylo ukončení kabelů z optických vláken náročné na práci. Počet dílů na konektor, leštění vláken a potřeba pečení epoxidu v každém konektoru ztěžovaly ukončení optických kabelů. Dnes je na trhu mnoho typů konektorů, které nabízejí jednodušší a méně pracné způsoby ukončení kabelů. Některé z nejpopulárnějších konektorů jsou v továrně předem vyleštěny a obsahují gel uvnitř konektoru. Tyto dva kroky pomáhají ušetřit peníze na práci, zejména u velkých projektů. Štěpí se provádí na požadovanou délku, aby se co nejblíže k leštěného kusu již uvnitř konektoru. Gel obklopuje bod, kde se oba kusy setkávají uvnitř konektoru, pro velmi malou ztrátu světla. Dlouhodobá výkonnost gelu je konstrukčním hlediskem, takže u nejnáročnějších instalací jsou továrně předem vyleštěné copánky dostatečné délky k dosažení prvního krytu fúzního spoje obvykle nejbezpečnějším přístupem, který minimalizuje práci na místě.

Spojka volného prostoru

Často je nutné srovnat optické vlákno s jiným optickým vláknem nebo s optoelektronickým zařízením , jako je světelná dioda , laserová dioda nebo modulátor . To může zahrnovat buď pečlivé zarovnání vlákna a jeho umístění do kontaktu se zařízením, nebo lze použít čočku umožňující spojení přes vzduchovou mezeru. Typicky je velikost vláknového režimu mnohem větší než velikost režimu v laserové diodě nebo silikonovém optickém čipu . V tomto případě je použito kuželové nebo čočkové vlákno, aby odpovídalo rozdělení pole režimu vláken k druhému prvku. Čočku na konci vlákna lze vytvořit leštěním, řezáním laserem nebo fúzním spojováním.

V laboratorním prostředí je konec holého vlákna spojen pomocí systému spouštění vláken, který pomocí čočky objektivu mikroskopu zaostří světlo až do jemného bodu. Přesný translační stupeň (mikropolohovací stůl) se používá k pohybu čočky, vlákna nebo zařízení, aby bylo možné optimalizovat účinnost spojky. Vlákna s konektorem na konci činí tento proces mnohem jednodušším: konektor je jednoduše zapojen do předem zarovnaného kolimátoru z optických vláken, který obsahuje čočku, která je buď přesně umístěna vzhledem k vláknu, nebo je nastavitelná. Aby se dosáhlo nejlepší účinnosti vstřikování do jednovidového vlákna, musí být optimalizován směr, poloha, velikost a divergence paprsku. S dobrými paprsky lze dosáhnout účinnosti spoje 70 až 90%.

S řádně vyleštěnými vlákny s jedním režimem má vyzařovaný paprsek téměř dokonalý gaussovský tvar-dokonce i ve vzdáleném poli-pokud je použit dobrý objektiv. Objektiv musí být dostatečně velký, aby unesl plnou numerickou clonu vlákna, a nesmí v paprsku zavádět aberace . Obvykle se používají asférické čočky .

Vláknová pojistka

Při vysokých optických intenzitách, nad 2 megawatty na čtvereční centimetr, když je vlákno vystaveno šoku nebo je jinak náhle poškozeno, může dojít k vláknové pojistce . Odraz od poškození odpaří vlákno bezprostředně před zlomem a tato nová vada zůstává reflexní, takže poškození se šíří zpět směrem k vysílači rychlostí 1–3 metry za sekundu (4–11 km/h, 2–8 mph). Otevřený řídící vlákno systém, který zajišťuje bezpečnost laserové oční v případě přerušené optické vlákno, může také účinně zastavit množení pojistky vlákna. V situacích, jako jsou podmořské kabely, kde by mohly být použity vysoké úrovně výkonu bez nutnosti ovládání otevřeným vláknem, může ochranné zařízení „vysílače s pojistkou“ na vysílači přerušit obvod, aby bylo poškození minimální.

Chromatická disperze

Index lomu vláken se mírně mění s frekvencí světla a světelné zdroje nejsou dokonale jednobarevné. Modulace světelného zdroje pro přenos signálu také mírně rozšiřuje frekvenční pásmo procházejícího světla. To má za následek, že na velké vzdálenosti a při vysokých modulačních rychlostech může různým frekvencím světla trvat, než dorazí do přijímače, což v konečném důsledku znemožní rozpoznání signálu a vyžaduje další opakovače. Tento problém lze překonat mnoha způsoby, včetně použití relativně krátké délky vlákna, které má opačný gradient indexu lomu.

Viz také

Poznámky

Reference

Další čtení

externí odkazy