Se știe că viteza luminii v într-o substanță transparentă este mai mică decât viteza luminii
s = 300.000 km / s într-un vid. Raportul cu / v = n este indicele de refracție a luminii în materie.
Un fascicul de lumină care se propagă într-un mediu cu un indice de refracție n1. și incident la limita cu un mediu care are un indice de refracție mai mic n2. va rupe și va continua mișcarea în cel de-al doilea mediu (Figura 2.1, fasciculul 1).
Dacă unghiul de incidență al luminii j1 este mărit, atunci și unghiul de refracție j2 crește. La j2 = 90 °, fasciculul refractat va aluneca de-a lungul interfeței dintre cele două medii. Unghiul de incidență la care se produce acest lucru se numește unghiul reflexiei interne totale (raza 2 din Figura 2.1). Dacă unghiul de incidență este mai mare decât unghiul reflexiei interne totale, atunci fasciculul de lumină (fasciculul 3) nu intră în mediu cu un indice de refracție mai mic, dar este reflectat complet spre interior. Este acest principiu al reflexiei interne totale care permite fibrelor optice să efectueze lumină.
Fibra constă dintr-un miez (nucleu) și o cochilie. Carcasa înconjoară un miez dens dens, care este partea de lumină a fibrei.
Indicele de refracție al miezului este n1. dar a coajă-ului n2. și întotdeauna n1> n2.
Luați în considerare calea razelor de lumină din fibră (Figura 2.2):
Să presupunem asta Este unghiul de incidență al fasciculului luminos și # 952; 2 - unghiul de refracție al acestei raze.
Deoarece n1> n2. atunci există un unghi critic de incidență Q1 = # 952; la care unghiul de refracție Q2 va fi de 90 de grade (Sin90 = 1), cu lumina care nu intră în cochilie.
Figura 2.2 - Calea razelor de lumină din fibră
Apoi, conform legii lui Snell. (2.1)
Dacă unghiul de incidență la interfață este mai mic decât unghiul critic al incidenței (Ray 2), atunci cu fiecare reflexie internă energia se disipează spre exterior, ceea ce duce la atenuarea luminii.
Este necesar să se ia în considerare faptul că lumina este injectată în capătul fibrei. În același timp, o rază, refractată de capătul acesteia, va cădea pe suprafața laterală a fibrei. Și ar trebui să cadă astfel încât să se reflecte complet de pe suprafața laterală. Se pune întrebarea la ce unghi trebuie să se introducă fasciculul în fibră?
Modul de reflexie internă totală predetermină condiția de aplicare a luminii la capătul de intrare al OB, deoarece OB trece numai lumina închisă în unghiul solid # 952; A. Acest unghi solid este caracterizat printr-o deschidere.
Diafragma este unghiul dintre axa optică și una dintre generatoarele conului luminos care intră în capătul fibrei, la care este îndeplinită condiția de reflexie internă totală.
Unghiul de intrare a fluxului de lumină în fibra optică trebuie să fie mai mic decât unghiul de deschidere.
Astfel, deschiderea ghidajului de lumină este unghiul maxim posibil al intrării razei la sfârșitul fibrei. Utilizați de obicei noțiunea de diafragmă numerică:
Pentru aer n0 = 1. Pentru o fibră cu un profil de treaptă, valoarea diafragmei numerice este exprimată în termeni de indicatori de refracție:
NA = Sin # 952; A = (2.4)
Pentru cuarț, n1 ≈ 1,47, n2 ≈ 1,46, NA = 0,17, # 952; A ≈ 10 0.
Unul dintre cei mai importanți parametri care caracterizează o fibră este diferența relativă a indicilor de refracție # 916;
Într-un ghid de undă cu fibră, pot exista trei tipuri de valuri - ghidate, radiate și emise. Razele, ale căror traiectorii se află complet într-un mediu optic mai dens, se numesc direcții. Energia razelor direcționate nu este împrăștiată spre exterior și astfel de raze se pot propaga pe distanțe lungi. Undele radiate apar datorită radiațiilor introduse în afara deschiderii și deja la începutul liniei sunt emise în spațiul din jur. Undele de ieșire (raze de cochilie) se propagă parțial de-a lungul fibrei, iar piesa este radiată în spațiul din jur.
În fibrele moderne indicele de refracție al cochiliei n2 este de obicei mai mic decât n1 (indicele de refracție al miezului) cu 0,36%, adică:
Modul de operare al OB depinde de frecvența nominală. a cărui valoare se calculează prin formula:
unde ac este raza nucleului OM.
În cazul în care <2.405 - то в волокне будет распространяться только одна мода (одномодовый режим ). С увеличением значения нормированной частоты число распространяющихся мод в ОВ возрастает, т. е, при> 2.405 este un mod multimode.
În cazul în care: 2.405 <<3,832 – то в ОВ распространяется 4 моды.
Lungimea minimă de undă la care se propagă un singur mod în fibră se numește lungimea de undă a fibrei de cutoff. a căror valoare este determinată de expresie ca:
Dacă lungimea de undă de lucru este mai mică decât lungimea de undă cutoff, atunci are loc un mod de propagare a luminii multimod.
Tipuri de fibre optice
Fibrele multimode sunt împărțite în trepte și gradate.
Fibrele cu un singur mod sunt împărțite în fibre de un singur mod sau fibre standard (SF), fibre cu dispersie offset (DSF) și fibre cu dispersie neschimbată (NZDSF).
Figura 2.3 - Calea razelor de lumină din fibră
În gradientul OM, indicele de refracție scade treptat de la centrul limitei. Razele de lumină, ale căror căi trec în regiunile periferice cu un indice de refracție mai mic, se propagă mai repede decât cele care trec în apropierea centrului, ceea ce în cele din urmă compensează diferența în lungimile traseelor. Într-o astfel de fibră optică, efectul dispersiei intermodice este mult mai mic decât în dispersia în trepte (figura 2.3).
Extinderea semnalului stabilește limita numărului de impulsuri transmise pe secundă, care poate fi totuși recunoscută exact la capătul de recepție al canalului. Aceasta, la rândul său, limitează lărgimea de bandă a fibrei multimode.
Figura 2.4 - Proiectarea diferitelor fibre
Evident, dispersia la capătul receptorului depinde și de lungimea cablului. Prin urmare, capacitatea pentru liniile optice este determinată pe unitate de lungime. Pentru fibrele cu un profil de indice de refracție în trepte, este de obicei 20-30 MHz pe kilometru (MHz / km), în timp ce pentru OB gradient se situează în intervalul 100-1000 MHz / km.
Fibrele multimode pot avea o tijă de sticlă și o teacă de plastic. O astfel de fibră are un profil pas cu pas al indexului de refracție și o bandă de transmisie de 20-30 MHz / km.
Singlemode fibră
Principala diferență a acestei fibre, care determină în mare măsură proprietățile sale ca fibră, este diametrul miezului. Este de numai 7 până la 10 μm, care este comparabilă cu lungimea de undă a semnalului luminos. O valoare a diametrului mic permite formarea unui singur fascicul (mod), care se reflectă în nume (Figura 2.4).
Avantajele OBs multimode în comparație cu cele cu un singur mod:
1) Din cauza cerințelor mari de bază cu diametrul de multimodală OB a redus pentru surse de radiații, ca lasere mai ieftine și totuși mai puternice din materiale semiconductoare pot fi folosite pentru radiații de intrare, chiar și LED-uri. Pentru LED-uri de putere sunt utilizate circuite foarte simple, care simplifică dispozitivul și reduce PLAYBACK de cost.
2) Fotodiodele cu diametrul mare al zonei fotosensibile pot fi utilizate în modulul optic de primire. Astfel de fotodiode au un cost redus.
3) Atunci când OBs multimode sunt asamblate, precizia necesară de aliniere a capetelor este de un ordin de mărime mai mică decât în cazul îmbinării OB cu un singur mod.
4) Conectorii optici pentru OB multimode din aceleași motive au o serie de cerințe mai puțin stringente de ordine de mărime decât conectorii optici pentru OB cu un singur mod.
1) In multimod sute OB de moduri de a propaga, atenuarea minimă au moda centrală și low-ordine de moda, și cu o creștere a atenuării ordinea modurilor crește, rezultând în atenuarea multimod RH mai mare de single-mode (0.6-5 dB per km).
2) În procesul de propagare, impulsurile luminoase se întind și chiar încep să se suprapună. O astfel de extindere a pulsului se numește dispersie.
Dispersia OM-ului multimod este mult mai mare decât dispersia în un singur mod. Cu cât valoarea variației este mai mică, cu atât mai mult fluxul de informații poate fi transmis peste OB.
Concluzie: a crescut atenuarea și lățime de bandă mică sunt motivul pentru care, în baza OB multimodală construite în principal locale, locale și viteză relativ scăzută: REDARE internă.
1) Atenuare redusă (de la 0,22 la 0,35 dB / km)
2) Dispersie mică, ceea ce înseamnă o lățime de bandă largă.
Concluzie: Single-mode OM este folosit în marea majoritate a REDARE moderne de lucru cea mai mare parte, pe baza echipamentelor SDH, astfel încât este posibil să se creeze o mare viteză coloana vertebrală de înaltă fiabilitate și rețele digitale locale.
Ghidurile de undă pentru fibră se caracterizează prin doi parametri cei mai importanți: atenuarea și dispersia. Cu cât atenuarea (pierderea) este mai mică și cu cât este mai mică dispersia semnalului propagat în fibră, cu atât este mai mare distanța dintre repetoare (lungimea secțiunii de regenerare). În plus, dispersia conduce la o limitare a benzii de transmisie de-a lungul fibrei optice.