Vezeloptica en glasvezelkabels worden gebruikt om lichte energie en informatie over korte of lange afstanden over te dragen. In de afgelopen decennia zijn glasvezeloptiek gecombineerd met halfgeleiderlasedodes en optische ontvangers om de snelle groei van vezeloptische communicatiesystemen mogelijk te maken. Een optische vezel is een cirkelvormig diëlektrische golfgeleider van dwarsdoorsnede bestaande uit een kern, een concentrische bekleding rond de kern en een iets lagere brekingsindex (ongeveer 1%). Optische vezels zijn meestal gemaakt van siliciumdioxide met doteermiddelen zoals GEO2, die de brekingsindex van het siliciumdioxide verandert. Vezeloptische kabels die de vezel in een beschermende laag inkapselen die de vezel gemakkelijker te hanteren maakt, de overspraak tussen aangrenzende vezels vermindert en voorkomt schade aan de vezel wanneer deze tegen ruwe oppervlakken wordt gedrukt. Naast de voordelen van lichte transmissie heeft de opsluiting van het licht tot een klein gebied in de vezelkern de ontwikkeling van vezellasers en fotonische kristalvezels vergemakkelijkt.
Fundamentals of Fibre Optics
Fig. 1 Schema van kritieke hoek en TIR (links). Licht bestraald op de kernbekleding interface onder een hoek die groter is dan de kritieke hoek zit gevangen in de kern van de vezel (rechts). Relatie tussen het ontvangen van hoek (), NA en brekingsindex.
Figuur 1 toont de richting van het invallende licht terwijl het de interface van een lichtsparse medium tegenkomt (dwz n2
Een optische vezel is een cirkelvormige diëlektrische golfgeleider met een kern met een hogere brekingsindex dan de bekleding. Zoals getoond in figuur 1, als aan de hoekconditie van TIR is voldaan, wordt het licht in de kern opgesloten. De NA van een optische vezel wordt gedefinieerd als de sinus van de maximale incidentiehoek () van het TIR -invallende licht in de kern. Na is een kwalitatieve maat voor het vermogen van een optische vezel om licht te concentreren, en geeft ook aan hoe gemakkelijk het is om licht in de vezel te koppelen. De geometrie en samenstelling van een optische vezel bepaalt de set discrete elektromagnetische velden of vezelmodi die zich door de vezel kunnen voortplanten. De modi vallen in twee brede categorieën: uitgestraalde en uitgevoerd modi. Licht uitgezonden buiten de gespecificeerde hoek van de vezel Na zal stralingsmodi opwinden.
Deze modi dragen energie uit de kern en verdwijnen deze snel. Licht uitgezonden in de NA van de vezel produceert meestal geleide modi die tot de kern zijn beperkt. Deze modi verspreiden energie langs de vezel en verzenden informatie en kracht. Als de kern van een optische vezel groot genoeg is, kan dit tegelijkertijd veel geleidingsmodi ondersteunen, dwz multimode -propagatie. Wanneer het licht in een optische vezel is incident, zijn de modi enthousiast in verschillende mate, afhankelijk van de invallende omstandigheden (bijv. Invoerkegel, spotgrootte, axiaal centrum) en kunnen ze een breed scala aan ruimtelijke verdelingen vertonen. Net als de transversale modi van een laser, hebben de laagste-orde modi van een optische vezel een bijna-Gaussiaanse ruimtelijke verdeling en hebben daarom veel van dezelfde voordelen. Dit is de reden waarom er vaak wordt verwacht dat het de transmissie van een enkele modus in optische vezels behoudt. De genormaliseerde frequentieparameter van een vezel (ook bekend als de V-nummer) is een zeer nuttige technische parameter die het aantal modi uitgesproken op een gegeven golflengte op basis van de NA van de vezel en de straal van de kern.
Figuur 2 Typische spectrale verzwakking in een kwartsvezel (links). Terwijl het licht langs de vezel reist, zorgt dispersie ervoor dat individuele lichtpulsen zich verbreden in het tijdsdomein (rechtsboven). Voorbeeld van meerdere pulsen die een stroom van informatiebits vertegenwoordigen die onherkenbaar worden door dispersie na propagatie (rechtsonder).
Het optische vermogen dat zich voortplant door optische vezel vervalt exponentieel met vezellengte als gevolg van absorptie- en verstrooiingsverliezen (zie figuur 2). Verzwakking is de belangrijkste factor in een glasvezelcommunicatiesysteem en beïnvloedt direct het signaalniveau dat kan worden ontvangen. In de NIR- en VIS -gebieden is het kleine absorptieverlies van zuiver silica te wijten aan de staarten van de absorptiebanden in FIR en UV. Onzuiverheden, met name water in de vorm van hydroxide -ionen, zijn een meer dominante bron van absorptie in commerciële optische vezels. Recente verbeteringen in vezelzuiverheid hebben het verlies van verzwakking verminderd in de volgorde van 0. 1 db/km. Verstrooiend verlies kan ook leiden tot verzwakking in de vorm van kleine brekingsindexschommelingen in de vezel wanneer de vezel wordt genezen en de kerndiameter en geometrie onregelmatig zijn.
De bandbreedte van een optische vezel bepaalt zijn gegevensoverdracht. Het mechanisme dat de bandbreedte van een optische vezel beperkt, wordt dispersie genoemd. Dispersie is het verbreden van lichtpulsen die zich voordoen als ze zich over de vezel voortplanten. Het resultaat is dat de ene pols zich uitstrekt tot een andere en informatie niet te onderscheiden is (zie figuur 2).
Dispersie beperkt de bandbreedte en afstand waarover informatie kan worden verzonden. Er zijn twee hoofdtypen dispersie: intra-modale dispersie en intermodale dispersie. Er zijn twee verschillende soorten intra-modale dispersie: dispersie van chromatische dispersie en polarisatiemodus. Chromatische dispersie is eenvoudig het resultaat van de brekingsindex van een materiaal dat verandert met golflengte. De dispersie van de polarisatiemodus is te wijten aan orthogonale polarisatiemodi die met verschillende snelheden in de vezel reizen als gevolg van dubbelbreking. Intermodale dispersie treedt op omdat verschillende voortplantingsmodi met verschillende snelheden reizen. Daarom is intermodale dispersie alleen van toepassing op multimode -vezels.
Figuur 3 Polarisatiecontrole in een optische vezel veroorzaakt door de vezel uit verschillende richtingen te persen.
Single-modus vezels ondersteunen modi bestaande uit twee orthogonaal gepolariseerde modi. Dit is een gevolg van de asymmetrie van de dwarsdoorsnede van de vezelkern. Meestal zijn de externe spanningen willekeurig en de resulterende geïnduceerde dubbelbreking helpt de polarisatietoestanden te verstoren of te randomiseren. Speciale vezels, bias-behoudde vezels genoemd, produceren een consistent dubbelbreukpatroon over hun lengte. Dit wordt bereikt door de geometrie van de vezel te optimaliseren en de materialen die een grote hoeveelheid spanning in één richting produceren. Deze grote geïnduceerde dubbelbreking domineert in vergelijking met willekeurige dubbelbreking, waardoor de polarisatietoestand kan worden gehandhaafd tijdens voortplanting in de vezel. Het regelen van de polarisatietoestand in een optische vezel is analoog aan regeling voor vrije ruimte door een golfplaat toe te passen waardoor de fase van twee orthogonale polarisatietoestanden verandert. Dit wordt bereikt door door stress geïnduceerde dubbelbreking van de vezel, die een vertraging veroorzaakt, wat resulteert in een golfgeleidergebaseerde golfplaat. Een vergelijkbaar polarisatieapparaat, inclusief een vezel squeezer die rond de vezel draait, wordt weergegeven in figuur 3. Door druk uit te oefenen op de optische vezel produceert lineaire dubbelbreking, waardoor een vezeloptische golfgeleider wordt gevormd met een vertraging die varieert met druk.
