Kiudoptika: põhitõdede mõistmine

Miski pole kommunikatsioonimaailma nii palju muutnud kui optilise kiu arendamine ja rakendamine. See artikkel pakub selle tehnoloogiaga töötamiseks vajalikke põhiprintsiipe.
 

Inseneri- ja turunduspersonal

Optilised kiud on valmistatud kas klaasist või plastist. Enamik neist on ligikaudu inimese juuksekarva läbimõõduga ja võivad olla mitu miili pikad. Valgus edastatakse piki kiu keskpunkti ühest otsast teise ja võidakse peale suruda signaal. Kiudoptilised süsteemid on paljudes rakendustes paremad kui metalljuhtmed. Nende suurim eelis on ribalaius. Valguse lainepikkuse tõttu on võimalik edastada signaali, mis sisaldab tunduvalt rohkem informatsiooni, kui on võimalik metalljuhiga – isegi koaksiaaljuhiga. Muud eelised hõlmavad järgmist:

• Elektriisolatsioon – fiiberoptika ei vaja maandusühendust. Nii saatja kui ka vastuvõtja on teineteisest isoleeritud ja seetõttu ei esine maandusahela probleeme. Samuti puudub sädemete või elektrilöögi oht.

• EMI-vabadus – kiudoptika on elektromagnetiliste häirete (EMI) suhtes immuunne ja nad ei kiirga ise kiirgust, mis põhjustaks muid häireid.

• Väike võimsuskadu – see võimaldab pikemat kaabli pikkust ja vähem korduvaid võimendeid.

• Kergem ja väiksem – kiud kaalub vähem ja vajab vähem ruumi kui samaväärse signaali kandevõimega metalljuhtmed.

Vasktraat on umbes 13 korda raskem. Samuti on kiudu lihtsam paigaldada ja see nõuab vähem ruumi.

Rakendused

Mõned optiliste kiudude peamised kasutusvaldkonnad on järgmised:

• Side – hääl-, andme- ja videoedastus on kiudoptika kõige levinumad kasutusalad, sealhulgas:

– Telekommunikatsioon
- kohtvõrgud (LAN-id)
– Tööstuslikud juhtimissüsteemid
– avioonikasüsteemid
– sõjalised juhtimis-, juhtimis- ja sidesüsteemid

• Sensing – kiudoptikat saab kasutada valguse edastamiseks kaugallikast detektorisse, et saada rõhu-, temperatuuri- või spektriteavet. Kiudu saab kasutada ka otse muundurina, et mõõta mitmeid keskkonnamõjusid, nagu deformatsioon, rõhk, elektritakistus ja pH. Keskkonnamuutused mõjutavad valguse intensiivsust, faasi ja/või polarisatsiooni viisil, mida saab tuvastada kiu teises otsas.

• Toiteedastus – optilised kiud suudavad pakkuda märkimisväärselt suurt võimsust selliste ülesannete jaoks nagu laserlõikamine, keevitamine, märgistamine ja puurimine.

• Valgustus – ühes otsas valgusallikaga kokku kogutud kiukimp võib valgustada raskesti ligipääsetavaid piirkondi – näiteks inimkeha sees, koos endoskoobiga. Samuti saab neid kasutada kuvamärgina või lihtsalt dekoratiivse valgustusena.

 

Joonis 1. Optiline kiud koosneb südamikust, ümbrisest ja kattest.

 

Ehitus

Optiline kiud koosneb kolmest põhilisest kontsentrilisest elemendist: südamik, vooder ja väliskate (joonis 1).

Südamik on tavaliselt valmistatud klaasist või plastist, kuigi mõnikord kasutatakse ka muid materjale, sõltuvalt soovitud ülekandespektrist.

Tuum on kiu valgust läbilaskev osa. Kate on tavaliselt valmistatud samast materjalist, mis südamik, kuid veidi madalama murdumisnäitajaga (tavaliselt umbes 1% madalam). See indeksite erinevus põhjustab täieliku sisepeegelduse indeksi piiril piki kiu pikkust, nii et valgus kandub mööda kiudu alla ega pääse läbi külgseinte.

 

 

Joonis 2.Valguskiir, mis liigub ühelt materjalilt teisele erineva murdumisnäitajaga, on liidesel painutatud või murdunud.

Kate koosneb tavaliselt ühest või mitmest plastmaterjalist kihist, et kaitsta kiudu füüsilise keskkonna eest. Mõnikord lisatakse kattekihile täiendavaks füüsiliseks kaitseks metallkestad.

Optilised kiud määratakse tavaliselt nende suuruse järgi, mis on antud südamiku, katte ja katte välisläbimõõduna. Näiteks 62,5/125/25{7}} viitab kiule, mille südamik on läbimõõduga 62.5-µm, 125-µm läbimõõduga kattekiht ja 0.{{8} }mm läbimõõduga väliskate.

 

 

Fotoonika turul on 81 kiudoptiliste kiudude tarnijat

 

Põhimõtted

Optilisi materjale iseloomustab nende murdumisnäitaja, mida nimetatakse n. Materjali murdumisnäitaja on valguse kiiruse vaakumis ja valguse kiiruse suhe materjalis. Kui valguskiir liigub ühelt materjalilt teisele erineva murdumisnäitajaga, paindub (või murdub) kiir liideses (joonis 2).

Refraktsiooni kirjeldab Snelli seadus:

kusn_Ijan_Ron nende materjalide murdumisnäitajad, mille kaudu kiir murdub jaIjaRon kiire langemis- ja murdumisnurgad. Kui langemisnurk on suurem kui liidese kriitiline nurk (tavaliselt umbes 82 kraadi optiliste kiudude puhul), peegeldub valgus langevasse keskkonda kadudeta protsessis, mida nimetatakse täielikuks sisepeegelduseks (joonis 3).

Joonis 3.Täielik sisepeegeldus võimaldab valgusel jääda kiu südamikusse.

 

Vaadake video definitsiooni täieliku sisemise peegelduse kohta.

Režiimid

Kui valgus juhitakse mööda kiudu allapoole (nagu mikrolained juhitakse mööda lainejuhti), toimuvad faasinihked igal peegelduval piiril. Optilise kiu kaudu on piiratud diskreetne arv teid (tuntud kui režiimid), mis tekitavad konstruktiivseid (faasis ja seega aditiivseid) faasinihkeid, mis tugevdavad ülekannet. Kuna iga režiim esineb kiu telje suhtes erineva nurga all, kui kiir liigub piki pikkust, liigub igaüks erineva pikkusega läbi kiu sisendist väljundini. Ainult üks režiim, nulljärgu režiim, läbib kiu pikkuse ilma peegeldusteta külgseintelt. Seda tuntakse ühemoodilise kiu nime all. Režiimide tegelik arv, mida antud optilises kius levida saab, määratakse valguse lainepikkuse ning kiu südamiku läbimõõdu ja murdumisnäitaja järgi.
 

Optilise kiu nõrgenemisel on mitu põhjust:

 

• Rayleighi hajumine – südamiku materjali murdumisnäitaja mikroskoopilised variatsioonid võivad põhjustada kiires märkimisväärset hajumist, mis toob kaasa optilise võimsuse olulise kadu. Rayleighi hajumine sõltub lainepikkusest ja on pikemate lainepikkuste korral vähem oluline. See on kaasaegsete optiliste kiudude kõige olulisem kadumismehhanism, mis moodustab üldiselt kuni 90% kogetud kadudest.

 

• Imendumine – praegused tootmismeetodid on vähendanud lisandite (eelkõige vees sisalduva vee) põhjustatud neeldumist väga madalale tasemele. Kiu ülekanderiba piires on neeldumiskaod tähtsusetud.

• Painutamine – tootmismeetodid võivad tekitada kiudude geomeetrias väikseid painutusi. Mõnikord on need painded piisavalt suured, et südamikus olev valgus tabaks südamiku/katte liidest kriitilisest nurgast väiksema nurga all, nii et valgus kaob kattematerjali. See võib juhtuda ka siis, kui kiud on painutatud kitsas raadiuses (vähem kui näiteks paar sentimeetrit). Paindetundlikkust väljendatakse tavaliselt dB/km kaotusena konkreetse painderaadiuse ja lainepikkuse korral.

 

 

Joonis 4.Numbriline ava sõltub nurgast, mille all kiired kiudu sisenevad, ja kiu südamiku läbimõõdust.

 

Kiu tüübid

Põhimõtteliselt on kolme tüüpi optilist kiudu: ühemoodiline, mitmemoodiline astmeline indeks ja mitmemoodiline sammindeks. Neid iseloomustab valguse levimisviis mööda kiudu ja need sõltuvad nii valguse lainepikkusest kui ka kiu mehaanilisest geomeetriast. Näited selle kohta, kuidas nad valgust levitavad, on näidatud joonisel 5.

 

 

Meie ettevõte on spetsialiseerunud plastikust optiliste kiudude/kaablite ja igasuguste fiiberoptiliste patch-juhtmete tootmisele, huvi korral võtke minuga ühendust.