Światłowody: zrozumienie podstaw

Nic nie zmieniło świata komunikacji tak bardzo, jak rozwój i wdrożenie światłowodu. W tym artykule przedstawiono podstawowe zasady potrzebne do pracy z tą technologią.
 

Personel inżynieryjny i marketingowy

Światłowody wykonane są ze szkła lub tworzywa sztucznego. Większość z nich ma mniej więcej średnicę ludzkiego włosa i może mieć wiele mil długości. Światło przechodzi przez środek światłowodu z jednego końca na drugi i może zostać narzucony sygnał. W wielu zastosowaniach systemy światłowodowe mają przewagę nad przewodnikami metalowymi. Ich największą zaletą jest przepustowość. Dzięki długości fali światła możliwe jest przesłanie sygnału zawierającego znacznie więcej informacji, niż jest to możliwe w przypadku przewodnika metalicznego, nawet koncentrycznego. Inne zalety to:

• Izolacja elektryczna – światłowód nie wymaga uziemienia. Zarówno nadajnik, jak i odbiornik są odizolowane od siebie, dzięki czemu nie występują problemy z pętlą uziemienia. Nie ma także niebezpieczeństwa iskrzenia lub porażenia prądem.

• Wolność od zakłóceń elektromagnetycznych – światłowody są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i same nie emitują promieniowania, które mogłoby powodować inne zakłócenia.

• Niskie straty mocy – pozwala to na dłuższe prowadzenie kabli i mniejszą liczbę wzmacniaczy wzmacniających.

• Lżejszy i mniejszy — światłowód waży mniej i wymaga mniej miejsca niż przewodniki metalowe o równoważnej zdolności przenoszenia sygnału.

Drut miedziany jest około 13 razy cięższy. Światłowód jest również łatwiejszy w montażu i wymaga mniej miejsca w kanale.

Aplikacje

Niektóre z głównych obszarów zastosowań włókien optycznych to:

• Komunikacja — transmisja głosu, danych i wideo to najczęstsze zastosowania światłowodów i obejmują one:

– Telekomunikacja
– Sieci lokalne (LAN)
– Przemysłowe systemy sterowania
– Systemy awioniczne
– Wojskowe systemy dowodzenia, kontroli i łączności

• Wykrywanie — światłowód można wykorzystać do dostarczenia światła ze zdalnego źródła do detektora w celu uzyskania informacji o ciśnieniu, temperaturze lub widmie. Światłowód można również wykorzystać bezpośrednio jako przetwornik do pomiaru szeregu efektów środowiskowych, takich jak odkształcenie, ciśnienie, opór elektryczny i pH. Zmiany środowiskowe wpływają na intensywność, fazę i/lub polaryzację światła w sposób, który można wykryć na drugim końcu światłowodu.

• Dostarczanie mocy – światłowody mogą dostarczać niezwykle wysoki poziom mocy do zadań takich jak cięcie laserowe, spawanie, znakowanie i wiercenie.

• Oświetlenie – wiązka włókien zebrana razem ze źródłem światła na jednym końcu może oświetlić trudno dostępne obszary – na przykład wnętrze ludzkiego ciała, w połączeniu z endoskopem. Można je również wykorzystać jako szyld wystawowy lub po prostu jako dekoracyjne oświetlenie.

 

Rysunek 1. Światłowód składa się z rdzenia, płaszcza i powłoki.

 

Budowa

Światłowód składa się z trzech podstawowych, koncentrycznych elementów: rdzenia, płaszcza i powłoki zewnętrznej (rysunek 1).

Rdzeń jest zwykle wykonany ze szkła lub tworzywa sztucznego, chociaż czasami stosuje się inne materiały, w zależności od pożądanego widma transmisji.

Rdzeń jest częścią światłowodu przepuszczającą światło. Płaszcz zwykle wykonany jest z tego samego materiału co rdzeń, ale o nieco niższym współczynniku załamania światła (zwykle o 1% niższy). Ta różnica współczynnika powoduje, że na granicy współczynnika wzdłuż światłowodu występuje całkowite wewnętrzne odbicie, tak że światło jest przepuszczane w dół światłowodu i nie ucieka przez ścianki boczne.

 

 

Rysunek 2.Wiązka światła przechodząca z jednego materiału do drugiego o innym współczynniku załamania światła jest załamana lub załamana na granicy faz.

Powłoka zwykle zawiera jedną lub więcej warstw materiału z tworzywa sztucznego w celu ochrony włókna przed środowiskiem fizycznym. Czasami do powłoki dodaje się osłony metalowe w celu dalszej ochrony fizycznej.

Światłowody zwykle określa się na podstawie ich rozmiaru, podawanego jako zewnętrzna średnica rdzenia, płaszcza i powłoki. Na przykład 62,5/125/250 będzie odnosić się do światłowodu z rdzeniem o średnicy 62,5-µm, płaszczem o średnicy 125-µm i średnicą 0,{{8} } mm średnicy powłoki zewnętrznej.

 

 

Na rynku Photonics Marketpla znajduje się 81 dostawców włókien światłowodowych

 

Zasady

Materiały optyczne charakteryzują się współczynnikiem załamania światła, określanym jako n. Współczynnik załamania materiału to stosunek prędkości światła w próżni do prędkości światła w materiale. Kiedy wiązka światła przechodzi z jednego materiału do drugiego z innym współczynnikiem załamania światła, wiązka ulega zakrzywieniu (załamaniu) na granicy faz (rysunek 2).

Załamanie opisuje prawo Snella:

Gdzien_IIn_Rsą współczynnikami załamania materiałów, przez które wiązka załamuje się iIIRsą kątami padania i załamania wiązki. Jeśli kąt padania jest większy niż kąt krytyczny interfejsu (zwykle około 82 stopnie w przypadku światłowodów), światło jest odbijane z powrotem do ośrodka padającego bez strat w procesie znanym jako całkowite odbicie wewnętrzne (rysunek 3).

Rysunek 3.Całkowite wewnętrzne odbicie pozwala światłu pozostać wewnątrz rdzenia światłowodu.

 

Obejrzyj definicję wideo całkowitego wewnętrznego odbicia.

Tryby

Kiedy światło jest kierowane w dół światłowodu (podobnie jak mikrofale w światłowodzie), na każdej granicy odbicia zachodzą przesunięcia fazowe. W światłowodzie istnieje skończona, dyskretna liczba ścieżek (tzw. modów), które wytwarzają konstruktywne (w fazie, a zatem addytywne) przesunięcia fazowe, które wzmacniają transmisję. Ponieważ każdy mod występuje pod innym kątem do osi światłowodu, gdy wiązka przemieszcza się wzdłuż długości, każdy mod przemieszcza się przez włókno na inną długość od wejścia do wyjścia. Tylko jeden mod, tryb zerowego rzędu, przemieszcza się wzdłuż światłowodu bez odbić od ścian bocznych. Nazywa się to włóknem jednomodowym. Rzeczywista liczba modów, które mogą być propagowane w danym światłowodzie, zależy od długości fali światła oraz średnicy i współczynnika załamania rdzenia światłowodu.
 

Istnieje kilka przyczyn tłumienia światłowodu:

 

• Rozpraszanie Rayleigha – zmiany w skali mikroskopowej współczynnika załamania światła materiału rdzenia mogą powodować znaczne rozproszenie w wiązce, prowadząc do znacznych strat mocy optycznej. Rozpraszanie Rayleigha zależy od długości fali i jest mniej znaczące przy dłuższych falach. Jest to najważniejszy mechanizm strat we współczesnych światłowodach, odpowiadający za 90% wszelkich strat.

 

• Absorpcja – obecne metody produkcji zmniejszyły absorpcję powodowaną przez zanieczyszczenia (w szczególności wodę we włóknie) do bardzo niskiego poziomu. W paśmie przenoszenia światłowodu straty absorpcyjne są nieznaczne.

• Gięcie – metody produkcyjne mogą powodować niewielkie zagięcia geometrii włókna. Czasami te zagięcia będą na tyle duże, że światło w rdzeniu będzie uderzać w powierzchnię styku rdzeń/płaszcz pod kątem mniejszym niż krytyczny, w wyniku czego światło zostanie utracone w materiale płaszcza. Może się to również zdarzyć, gdy włókno jest zgięte w małym promieniu (mniejszym niż, powiedzmy, kilka centymetrów). Czułość na zginanie jest zwykle wyrażana jako strata dB/km dla określonego promienia zgięcia i długości fali.

 

 

Rysunek 4.Apertura numeryczna zależy od kąta, pod jakim promienie wchodzą do włókna oraz od średnicy rdzenia światłowodu.

 

Rodzaje włókien

Zasadniczo istnieją trzy typy światłowodów: jednomodowy, wielomodowy ze stopniowanym indeksem i wielomodowy ze stopniowanym indeksem. Charakteryzują się sposobem, w jaki światło przemieszcza się po światłowodzie i zależą zarówno od długości fali światła, jak i geometrii mechanicznej światłowodu. Przykłady propagacji światła pokazano na rysunku 5.

 

 

Nasza firma specjalizuje się w produkcji światłowodów/kabli plastikowych oraz wszelkiego rodzaju patchcordów światłowodowych. W przypadku zainteresowania proszę o kontakt.