Fibră optică: înțelegerea elementelor de bază

Nimic nu a schimbat lumea comunicațiilor la fel de mult ca dezvoltarea și implementarea fibrei optice. Acest articol oferă principiile de bază necesare pentru a lucra cu această tehnologie.
 

Personal de inginerie și marketing

Fibrele optice sunt fabricate fie din sticlă, fie din plastic. Majoritatea au aproximativ diametrul unui păr uman și pot avea o lungime de mulți kilometri. Lumina este transmisă de-a lungul centrului fibrei de la un capăt la altul și poate fi impus un semnal. Sistemele de fibră optică sunt superioare conductoarelor metalice în multe aplicații. Cel mai mare avantaj al lor este lățimea de bandă. Datorită lungimii de undă a luminii, este posibil să se transmită un semnal care conține mult mai multe informații decât este posibil cu un conductor metalic - chiar și un conductor coaxial. Alte avantaje includ:

• Izolație electrică - Fibra optică nu necesită o conexiune de împământare. Atât emițătorul, cât și receptorul sunt izolate unul de celălalt și, prin urmare, nu prezintă probleme cu bucla de masă. De asemenea, nu există pericol de scântei sau șoc electric.

• Libertatea față de EMI - Fibra optică este imune la interferența electromagnetică (EMI) și nu emit nicio radiație pentru a provoca alte interferențe.

• Pierdere de putere redusă - Acest lucru permite cabluri mai lungi și mai puține amplificatoare repetoare.

• Mai ușoară și mai mică - Fibra cântărește mai puțin și necesită mai puțin spațiu decât conductorii metalici cu capacitate echivalentă de transport a semnalului.

Firul de cupru este de aproximativ 13 ori mai greu. Fibra este, de asemenea, mai ușor de instalat și necesită mai puțin spațiu în conducte.

Aplicații

Unele dintre principalele domenii de aplicare ale fibrelor optice sunt:

• Comunicații - Transmisia de voce, date și video sunt cele mai comune utilizări ale fibrei optice, iar acestea includ:

– Telecomunicații
- Rețele locale (LAN)
– Sisteme de control industrial
– sistemele aviatice
– Sisteme militare de comandă, control și comunicații

• Detecție - Fibra optică poate fi utilizată pentru a furniza lumină de la o sursă de la distanță către un detector pentru a obține informații despre presiune, temperatură sau spectrală. De asemenea, fibra poate fi utilizată direct ca traductor pentru a măsura o serie de efecte asupra mediului, cum ar fi deformarea, presiunea, rezistența electrică și pH-ul. Schimbările de mediu afectează intensitatea luminii, faza și/sau polarizarea în moduri care pot fi detectate la celălalt capăt al fibrei.

• Livrarea puterii - Fibrele optice pot furniza niveluri remarcabil de ridicate de putere pentru sarcini precum tăierea cu laser, sudarea, marcarea și găurirea.

• Iluminare - Un mănunchi de fibre adunate împreună cu o sursă de lumină la un capăt poate ilumina zone greu accesibile - de exemplu, în interiorul corpului uman, împreună cu un endoscop. De asemenea, pot fi folosite ca semn de afișare sau pur și simplu ca iluminare decorativă.

 

Figura 1. O fibră optică constă dintr-un miez, placare și acoperire.

 

Constructii

O fibră optică constă din trei elemente concentrice de bază: miezul, placarea și învelișul exterior (Figura 1).

Miezul este de obicei realizat din sticlă sau plastic, deși uneori se folosesc și alte materiale, în funcție de spectrul de transmisie dorit.

Miezul este porțiunea care transmite lumina a fibrei. Placarea este de obicei realizată din același material ca miezul, dar cu un indice de refracție puțin mai mic (de obicei cu aproximativ 1% mai mic). Această diferență de indice face ca reflexia internă totală să apară la limita indicelui de-a lungul lungimii fibrei, astfel încât lumina să fie transmisă în jos prin fibră și să nu scape prin pereții laterali.

 

 

Figura 2.Un fascicul de lumină care trece de la un material la altul cu un indice diferit de refracție este îndoit sau refractat la interfață.

Acoperirea cuprinde de obicei unul sau mai multe straturi dintr-un material plastic pentru a proteja fibra de mediul fizic. Uneori, învelișului se adaugă teci metalice pentru o protecție fizică suplimentară.

Fibrele optice sunt de obicei specificate prin dimensiunea lor, dată ca diametrul exterior al miezului, al placajului și al acoperirii. De exemplu, un 62,5/125/250 s-ar referi la o fibră cu un miez de 62,5-µm diametru, o placare de 125-µm diametru și un 0.{{8} }mm diametru acoperire exterioară.

 

 

Există 81 de furnizori de fibre optice pe piața de fotonică

 

Principii

Materialele optice se caracterizează prin indicele lor de refracție, denumit n. Indicele de refracție al unui material este raportul dintre viteza luminii în vid și viteza luminii în material. Când un fascicul de lumină trece de la un material la altul cu un indice de refracție diferit, fasciculul este îndoit (sau refractat) la interfață (Figura 2).

Refracția este descrisă de legea lui Snell:

unden_Işin_Rsunt indicii de refractie ai materialelor prin care se refracta fasciculul siIşiRsunt unghiurile de incidență și de refracție ale fasciculului. Dacă unghiul de incidență este mai mare decât unghiul critic pentru interfață (de obicei, aproximativ 82 de grade pentru fibre optice), lumina este reflectată înapoi în mediul incident fără pierderi printr-un proces cunoscut sub numele de reflexie internă totală (Figura 3).

Figura 3.Reflexia internă totală permite luminii să rămână în interiorul miezului fibrei.

 

Urmăriți o definiție video a reflexiei interne totale.

Moduri

Când lumina este ghidată în jos pe o fibră (pe măsură ce microundele sunt ghidate în jos pe un ghid de undă), apar schimbări de fază la fiecare graniță reflectorizante. Există un număr discret finit de căi pe fibra optică (cunoscute ca moduri) care produc schimbări de fază constructive (în fază și, prin urmare, aditive), care întăresc transmisia. Deoarece fiecare mod are loc la un unghi diferit față de axa fibrei pe măsură ce fasciculul se deplasează pe lungime, fiecare parcurge o lungime diferită prin fibră de la intrare la ieșire. Un singur mod, modul de ordin zero, parcurge lungimea fibrei fără reflexii de pe pereții laterali. Aceasta este cunoscută ca o fibră monomod. Numărul real de moduri care pot fi propagate într-o anumită fibră optică este determinat de lungimea de undă a luminii și de diametrul și indicele de refracție al miezului fibrei.
 

Există mai multe cauze de atenuare într-o fibră optică:

 

• Rayleigh Scattering - Variațiile la scară microscopică ale indicelui de refracție al materialului miezului pot provoca o împrăștiere considerabilă în fascicul, ducând la pierderi substanțiale de putere optică. Difuzarea Rayleigh este dependentă de lungimea de undă și este mai puțin semnificativă la lungimi de undă mai mari. Acesta este cel mai important mecanism de pierdere din fibrele optice moderne, reprezentând în general până la 90% din orice pierdere care este experimentată.

 

• Absorbție - Metodele actuale de fabricație au redus absorbția cauzată de impurități (în special apa din fibră) la niveluri foarte scăzute. În cadrul trecerii de bandă de transmisie a fibrei, pierderile de absorbție sunt nesemnificative.

• Îndoire - Metodele de fabricație pot produce îndoituri minuscule în geometria fibrei. Uneori, aceste îndoiri vor fi suficient de mari pentru a face ca lumina din interior să lovească interfața miez/placare la un unghi mai mic decât unghiul critic, astfel încât lumina să se piardă în materialul de placare. Acest lucru se poate întâmpla și atunci când fibra este îndoită într-o rază strânsă (mai puțin de, să zicem, câțiva centimetri). Sensibilitatea la îndoire este de obicei exprimată în termeni de pierdere dB/km pentru o anumită rază de curbură și lungime de undă.

 

 

Figura 4.Deschiderea numerică depinde de unghiul la care razele intră în fibră și de diametrul miezului fibrei.

 

Tipuri de fibre

Există, în principiu, trei tipuri de fibră optică: un singur mod, index gradat multimod și indice pas multimod. Ele sunt caracterizate prin modul în care lumina parcurge fibră și depind atât de lungimea de undă a luminii, cât și de geometria mecanică a fibrei. Exemple de modul în care propagă lumina sunt prezentate în Figura 5.

 

 

Compania noastră este specializată în producția de fibre/cabluri optice din plastic și tot felul de cabluri de corecție cu fibră optică, dacă sunteți interesat, vă rugăm să nu ezitați să mă contactați.