Οπτικές ίνες: Κατανόηση των βασικών

Τίποτα δεν άλλαξε τον κόσμο των επικοινωνιών όσο η ανάπτυξη και η εφαρμογή οπτικών ινών. Αυτό το άρθρο παρέχει τις βασικές αρχές που απαιτούνται για την εργασία με αυτήν την τεχνολογία.
 

Προσωπικό Μηχανικού και Μάρκετινγκ

Οι οπτικές ίνες κατασκευάζονται είτε από γυαλί είτε από πλαστικό. Τα περισσότερα έχουν περίπου τη διάμετρο μιας ανθρώπινης τρίχας και μπορεί να έχουν μήκος πολλά μίλια. Το φως μεταδίδεται κατά μήκος του κέντρου της ίνας από το ένα άκρο στο άλλο και μπορεί να επιβληθεί ένα σήμα. Τα συστήματα οπτικών ινών υπερτερούν των μεταλλικών αγωγών σε πολλές εφαρμογές. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημά τους είναι το εύρος ζώνης. Λόγω του μήκους κύματος του φωτός, είναι δυνατό να μεταδοθεί ένα σήμα που περιέχει πολύ περισσότερες πληροφορίες από ό,τι είναι δυνατό με έναν μεταλλικό αγωγό - ακόμη και έναν ομοαξονικό αγωγό. Άλλα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν:

• Ηλεκτρική μόνωση - Οι οπτικές ίνες δεν χρειάζονται σύνδεση γείωσης. Τόσο ο πομπός όσο και ο δέκτης είναι απομονωμένοι ο ένας από τον άλλον και επομένως είναι απαλλαγμένοι από προβλήματα βρόχου γείωσης. Επίσης, δεν υπάρχει κίνδυνος σπινθήρων ή ηλεκτροπληξίας.

• Ελευθερία από το EMI - Οι οπτικές ίνες είναι απρόσβλητες σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI) και δεν εκπέμπουν οι ίδιες ακτινοβολία για να προκαλέσουν άλλες παρεμβολές.

• Χαμηλή απώλεια ισχύος - Αυτό επιτρέπει μεγαλύτερες διαδρομές καλωδίων και λιγότερους ενισχυτές επαναλήπτη.

• Ελαφρύτερο και μικρότερο - Η ίνα ζυγίζει λιγότερο και χρειάζεται λιγότερο χώρο από τους μεταλλικούς αγωγούς με ισοδύναμη ικανότητα μεταφοράς σήματος.

Το χάλκινο σύρμα είναι περίπου 13 φορές βαρύτερο. Η εγκατάσταση ινών είναι επίσης ευκολότερη και απαιτεί λιγότερο χώρο αγωγών.

Εφαρμογές

Μερικοί από τους κύριους τομείς εφαρμογής των οπτικών ινών είναι:

• Επικοινωνίες - Η μετάδοση φωνής, δεδομένων και βίντεο είναι οι πιο κοινές χρήσεις των οπτικών ινών και περιλαμβάνουν:

– Τηλεπικοινωνίες
– Τοπικά δίκτυα (LAN)
– Βιομηχανικά συστήματα ελέγχου
– Ηλεκτρονικά συστήματα
– Στρατιωτικά συστήματα διοίκησης, ελέγχου και επικοινωνιών

• Ανίχνευση - Οι οπτικές ίνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παροχή φωτός από μια απομακρυσμένη πηγή σε έναν ανιχνευτή για τη λήψη πληροφοριών πίεσης, θερμοκρασίας ή φασμάτων. Η ίνα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί απευθείας ως μετατροπέας για τη μέτρηση ενός αριθμού περιβαλλοντικών επιπτώσεων, όπως η τάση, η πίεση, η ηλεκτρική αντίσταση και το pH. Οι περιβαλλοντικές αλλαγές επηρεάζουν την ένταση του φωτός, τη φάση και/ή την πόλωση με τρόπους που μπορούν να ανιχνευθούν στο άλλο άκρο της ίνας.

• Παροχή ισχύος - Οι οπτικές ίνες μπορούν να προσφέρουν εξαιρετικά υψηλά επίπεδα ισχύος για εργασίες όπως κοπή με λέιζερ, συγκόλληση, σήμανση και διάτρηση.

• Φωτισμός - Μια δέσμη ινών που συγκεντρώνονται μαζί με μια πηγή φωτός στο ένα άκρο μπορεί να φωτίσει περιοχές που είναι δύσκολο να προσεγγιστούν - για παράδειγμα, μέσα στο ανθρώπινο σώμα, σε συνδυασμό με ένα ενδοσκόπιο. Επίσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως επιγραφή ή απλά ως διακοσμητικός φωτισμός.

 

Εικόνα 1. Μια οπτική ίνα αποτελείται από πυρήνα, επένδυση και επίστρωση.

 

Κατασκευή

Μια οπτική ίνα αποτελείται από τρία βασικά ομόκεντρα στοιχεία: τον πυρήνα, την επένδυση και την εξωτερική επίστρωση (Εικόνα 1).

Ο πυρήνας είναι συνήθως κατασκευασμένος από γυαλί ή πλαστικό, αν και μερικές φορές χρησιμοποιούνται άλλα υλικά, ανάλογα με το επιθυμητό φάσμα μετάδοσης.

Ο πυρήνας είναι το τμήμα της ίνας που μεταδίδει φως. Η επένδυση συνήθως κατασκευάζεται από το ίδιο υλικό με τον πυρήνα, αλλά με ελαφρώς χαμηλότερο δείκτη διάθλασης (συνήθως περίπου 1% χαμηλότερο). Αυτή η διαφορά δείκτη προκαλεί τη συνολική εσωτερική ανάκλαση να συμβεί στο όριο του δείκτη κατά μήκος της ίνας, έτσι ώστε το φως να μεταδίδεται προς τα κάτω στην ίνα και να μην διαφεύγει από τα πλευρικά τοιχώματα.

 

 

Εικόνα 2.Μια δέσμη φωτός που περνά από το ένα υλικό στο άλλο με διαφορετικό δείκτη διάθλασης κάμπτεται ή διαθλάται στη διεπιφάνεια.

Η επίστρωση περιλαμβάνει συνήθως ένα ή περισσότερα στρώματα από πλαστικό υλικό για την προστασία της ίνας από το φυσικό περιβάλλον. Μερικές φορές προστίθενται μεταλλικά περιβλήματα στην επίστρωση για περαιτέρω φυσική προστασία.

Οι οπτικές ίνες συνήθως καθορίζονται από το μέγεθός τους, που δίνεται ως η εξωτερική διάμετρος του πυρήνα, της επένδυσης και της επικάλυψης. Για παράδειγμα, ένα 62,5/125/250 θα αναφέρεται σε μια ίνα με πυρήνα διαμέτρου 62,5-μm, επένδυση διαμέτρου 125-μm και 0.{{8} Εξωτερική επίστρωση διαμέτρου }mm.

 

 

Υπάρχουν 81 προμηθευτές οπτικών ινών στο Photonics Marketpla

 

Αρχές

Τα οπτικά υλικά χαρακτηρίζονται από τον δείκτη διάθλασής τους, που αναφέρεται ως n. Ο δείκτης διάθλασης ενός υλικού είναι ο λόγος της ταχύτητας του φωτός στο κενό προς την ταχύτητα του φωτός στο υλικό. Όταν μια δέσμη φωτός περνά από το ένα υλικό στο άλλο με διαφορετικό δείκτη διάθλασης, η δέσμη κάμπτεται (ή διαθλάται) στη διεπιφάνεια (Εικόνα 2).

Η διάθλαση περιγράφεται από το νόμο του Snell:

όπουn_Iκαιn_Rείναι οι δείκτες διάθλασης των υλικών μέσω των οποίων διαθλάται η δέσμη καιIκαιRείναι οι γωνίες πρόσπτωσης και διάθλασης της δέσμης. Εάν η γωνία πρόσπτωσης είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία για τη διεπαφή (συνήθως περίπου 82 μοίρες για τις οπτικές ίνες), το φως ανακλάται πίσω στο προσπίπτον μέσο χωρίς απώλεια με μια διαδικασία γνωστή ως ολική εσωτερική ανάκλαση (Εικόνα 3).

Εικόνα 3.Η συνολική εσωτερική ανάκλαση επιτρέπει στο φως να παραμείνει μέσα στον πυρήνα της ίνας.

 

Παρακολουθήστε έναν ορισμό βίντεο της συνολικής εσωτερικής αντανάκλασης.

Λειτουργίες

Όταν το φως κατευθύνεται κάτω από μια ίνα (όπως τα μικροκύματα κατευθύνονται προς τα κάτω από έναν κυματοδηγό), εμφανίζονται μετατοπίσεις φάσης σε κάθε ανακλαστικό όριο. Υπάρχει ένας πεπερασμένος διακριτός αριθμός μονοπατιών κάτω από την οπτική ίνα (γνωστές ως τρόποι λειτουργίας) που παράγουν εποικοδομητικές (σε φάση και επομένως προσθετικές) μετατοπίσεις φάσης που ενισχύουν τη μετάδοση. Επειδή κάθε λειτουργία εμφανίζεται σε διαφορετική γωνία ως προς τον άξονα της ίνας καθώς η δέσμη ταξιδεύει κατά μήκος, καθεμία διανύει διαφορετικό μήκος μέσω της ίνας από την είσοδο στην έξοδο. Μόνο μία λειτουργία, η λειτουργία μηδενικής τάξης, διανύει το μήκος της ίνας χωρίς αντανακλάσεις από τα πλευρικά τοιχώματα. Αυτό είναι γνωστό ως ίνα μονής λειτουργίας. Ο πραγματικός αριθμός των τρόπων που μπορούν να διαδοθούν σε μια δεδομένη οπτική ίνα καθορίζεται από το μήκος κύματος του φωτός και τη διάμετρο και τον δείκτη διάθλασης του πυρήνα της ίνας.
 

Υπάρχουν διάφορες αιτίες εξασθένησης σε μια οπτική ίνα:

 

• Σκέδαση Rayleigh - Διακυμάνσεις μικροσκοπικής κλίμακας στον δείκτη διάθλασης του υλικού του πυρήνα μπορεί να προκαλέσουν σημαντική διασπορά στη δέσμη, οδηγώντας σε σημαντικές απώλειες οπτικής ισχύος. Η σκέδαση Rayleigh εξαρτάται από το μήκος κύματος και είναι λιγότερο σημαντική σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Αυτός είναι ο πιο σημαντικός μηχανισμός απώλειας στις σύγχρονες οπτικές ίνες, που γενικά αντιπροσωπεύει έως και το 90% κάθε απώλειας που παρουσιάζεται.

 

• Απορρόφηση - Οι τρέχουσες μέθοδοι παραγωγής έχουν μειώσει την απορρόφηση που προκαλείται από ακαθαρσίες (κυρίως νερό στις ίνες) σε πολύ χαμηλά επίπεδα. Εντός της ζώνης μετάδοσης της ίνας, οι απώλειες απορρόφησης είναι ασήμαντες.

• Κάμψη - Οι μέθοδοι κατασκευής μπορούν να δημιουργήσουν μικρές κάμψεις στη γεωμετρία των ινών. Μερικές φορές αυτές οι στροφές θα είναι αρκετά μεγάλες ώστε το φως μέσα στον πυρήνα να χτυπήσει τη διεπαφή πυρήνα/επένδυσης σε μικρότερη από την κρίσιμη γωνία, έτσι ώστε το φως να χαθεί μέσα στο υλικό επένδυσης. Αυτό μπορεί επίσης να συμβεί όταν η ίνα κάμπτεται σε στενή ακτίνα (λιγότερη από, ας πούμε, μερικά εκατοστά). Η ευαισθησία κάμψης εκφράζεται συνήθως ως απώλεια dB/km για μια συγκεκριμένη ακτίνα κάμψης και μήκος κύματος.

 

 

Εικόνα 4.Το αριθμητικό άνοιγμα εξαρτάται από τη γωνία με την οποία οι ακτίνες εισέρχονται στην ίνα και από τη διάμετρο του πυρήνα της ίνας.

 

Τύποι ινών

Υπάρχουν βασικά τρεις τύποι οπτικών ινών: μονής λειτουργίας, βαθμολογημένος δείκτης πολλαπλών λειτουργιών και δείκτης βημάτων πολλαπλών λειτουργιών. Χαρακτηρίζονται από τον τρόπο που το φως ταξιδεύει προς τα κάτω στην ίνα και εξαρτώνται τόσο από το μήκος κύματος του φωτός όσο και από τη μηχανική γεωμετρία της ίνας. Παραδείγματα του τρόπου διάδοσης του φωτός φαίνονται στο σχήμα 5.

 

 

Η εταιρεία μας ειδικεύεται στην παραγωγή πλαστικών οπτικών ινών/καλωδίων και όλων των ειδών καλωδίων patch οπτικών ινών, αν ενδιαφέρεστε, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μου.