В оптической связи оптический волновод, необходимый для передачи оптических сигналов на большие-расстояния, представляет собой цилиндрический диэлектрический волновод, называемый оптическим волокном (или простооптическое волокно). Оптическое волокно представляет собой диэлектрический волновод, который работает на оптических частотах и направляет световую энергию в направлении, параллельном его оси.
Структура и классификация оптических волокон
△Руководящий принцип оптического волокна
Структура оптического волокна:
Оптическое волокно (ОФ) представляет собой прозрачное диэлектрическое волокно, используемое для направления света. Практичное оптическое волокно состоит из нескольких прозрачных диэлектрических слоев. Типичную структуру оптического волокна, показанную на рисунке 2-1, можно разделить на три слоя: сердцевину с более высоким показателем преломления, оболочку с более низким показателем преломления и внешнее покрытие. Структура активной зоны и оболочки отвечает требованиям световодства, управления распространением световых волн вдоль активной зоны; покрытие в основном выполняет защитную функцию (поскольку оно не проводит свет, его можно окрашивать в различные цвета).
(Рисунок 2-1. Структура типичного оптического волокна)
(1) Сердцевина волокна Сердцевина волокна расположена в центре оптического волокна (диаметр 5–80 мкм). Его состав представляет собой диоксид кремния высокой-чистоты с добавлением следовых количеств легирующих примесей, таких как диоксид германия и пятиокись фосфора. Целью добавления этих небольших количеств легирующих добавок является соответствующее увеличение показателя преломления (n) сердцевины волокна. Для оптических волокон связи диаметр сердцевины составляет 5–10 мкм (одномодовое волокно) или 50–80 мкм (многомодовое волокно).
(2) Оболочка: оболочка расположена вокруг сердцевины волокна (ее диаметр составляет примерно 125 мкм), и ее состав также состоит из диоксида кремния высокой-чистоты, содержащего очень небольшое количество легирующей примеси. Роль легирующей примеси (например, триоксида бора) заключается в соответствующем уменьшении оптического показателя преломления (n2) оболочки, делая его немного ниже показателя преломления сердцевины волокна. Чтобы удовлетворить различные требования к световодству, облицовка может быть выполнена в один слой или в несколько слоев.
(3) Внешний слой оптического волокна с покрытием представляет собой покрытие, состоящее из акрилата, силиконовой резины и нейлона, которое увеличивает механическую прочность и гибкость оптического волокна. Покрытие обычно разделяют на первичное покрытие и вторичное покрытие. Вторичное покрытие представляет собой дополнительный слой термопластического материала, наносимый поверх первичного покрытия, поэтому его еще называют плакировкой. Внешний диаметр оптического волокна с покрытием обычно составляет около 1,5 см.
Толщина сердцевины волокна, распределение показателя преломления материала сердцевины и показатель преломления материала оболочки играют решающую роль в характеристиках передачи оптического волокна. Материал оболочки обычно представляет собой однородный материал с постоянным показателем преломления. Если имеется несколько слоев оболочки, показатели преломления каждого слоя оболочки различны. Показатель преломления сердцевины волокна может быть одинаковым или может меняться по радиусу сердцевины r. Поэтому для характеристики изменения показателя преломления ядра обычно используют функцию распределения показателя преломления n(r) по радиусу.
Классификация оптических волокон:
Вот английский перевод текста с изображения:
«В настоящее время существует множество типов оптических волокон, но методы их классификации обычно делятся на 4 категории: классификация по распределению показателя преломления волокна, классификация по режиму передачи, классификация по рабочей длине волны и классификация по оболочке и материалу оболочки. Кроме того, по составу компонентов оптического волокна, помимо наиболее часто используемого кварцевого оптического волокна, существуют также фторидное оптическое волокно и пластиковое оптическое волокно.
(1) Классификация по распределению показателя преломления волокна: можно разделить на волокно со ступенчатым показателем преломления (SIF) и волокно с градиентным показателем преломления (GIF).
1. Оптическое волокно со ступенчатым показателем преломления: относится к сердцевине волокна и области оболочки, где распределение показателя преломления однородно, значение является постоянным, а распределение показателя преломления представляет собой ступенчатую-слоистую структуру. Изменение показателя преломления имеет ступенчатый-подобный характер. Распределение показателя преломления оптического волокна со ступенчатым показателем преломления показано на рисунке 2-2.
Выражение распределения показателя преломления:
n(r) = {n₁(r Меньше или равно a₁)
{n₂ (a₁< r Меньше или равно a₂)
Оптическое волокно со ступенчатым индексом представляет собой раннюю структурную форму оптического волокна. Позже, в многомодовом оптическом волокне, оно постепенно было заменено градиентным оптическим волокном (поскольку градиентное оптическое волокно может значительно уменьшить модальную цветовую дисперсию, которую имеет многомодовое оптическое волокно). Однако его по-прежнему довольно часто используют для передачи импульсного света по оптическим волокнам. В настоящее время, когда одномодовое оптическое волокно постепенно заменяет многомодовое оптическое волокно в качестве основного продукта коммерческого оптического волокна, структура оптического волокна со ступенчатым индексом стала единственной структурной формой одномодового оптического волокна -, она должна быть ступенчатой-подобной.
2. Оптическое волокно с градуированным показателем преломления: относится к оптическому волокну, распределение показателя преломления которого меняется в зависимости от радиуса r. По мере того как расстояние от центра увеличивается и постепенно уменьшается, радиус постепенно становится меньше. Его правило вариации в целом соответствует правилу степенной экспоненты. При достижении границы сердцевины волокна и оболочки оно усекается до значений, соответствующих оболочке; в области оболочки его распределение показателя преломления равномерное, то есть n₂. Распределение показателя преломления оптического волокна с градиентным показателем преломления показано на рисунке 2-3».
Распределение показателя преломления выражается следующим образом:
«В уравнении g — число распределения показателя преломления; оно представляет собой разные значения при разных распределениях показателя преломления; n₁ — показатель преломления в центре сердцевины волокна; n₂ — показатель преломления оболочки; a₁ — радиус сердцевины; Δ — относительная разность показателей преломления, Δ=(n₁² - n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
Основная причина уменьшения интермодальной дисперсии градиентного оптического волокна заключается в том, что оно уменьшает модовую дисперсию, увеличивает расстояние передачи и увеличивает пропускную способность.
(2) Классификация по способу передачи:Можно разделить на многомодовое волокно (MMF) и одномодовое волокно (SMF). Как следует из названия, многомодовое оптическое волокно может передавать несколько мод, тогда как одномодовое оптическое волокно может передавать только основные моды и моды электрического поля. Обычно считается, что в новом поколении решений передачи должно преобладать одномодовое оптическое волокно, поскольку оно может передавать гораздо дальше, чем многомодовое оптическое волокно. Когда потери и дисперсия в среде передачи одинаковы, пропускная способность информации после одномодовой модуляции намного выше, чем после многомодовой модуляции.
При определенных условиях рабочей длины волны в оптическом волокне существует множество режимов передачи, и эти моды волокна являются многомодовыми оптическими волокнами. Модальный показатель преломления многомодового оптического волокна примерно такой же, как показатель преломления сердцевины волокна, а количество мод примерно пропорционально квадрату V (нормированной частоты). Поэтому его еще называют градиентным многомодовым оптическим волокном. Позже оно постепенно стало оптическим волокном с градуированным индексом.
Если при определенных условиях рабочей длины волны в оптическом волокне имеется только одна мода передачи, его называют одномодовым оптическим волокном. Одномодовое оптическое волокно - может передавать только основную моду (осевую моду), и при передаче в этом режиме межмодовая дисперсия отсутствует. По сравнению с многомодовым оптическим волокном с большим количеством мод более высокого-порядка это очень полезно для высокоскоростных-систем волоконно-оптической связи.
(3) Классификация по рабочей длине волны: можно разделить на коротковолновое-оптическое волокно и длинноволновое-оптическое волокно.
1.Коротковолновое-оптическое волокно: на начальном этапе развития оптоволоконной связи обычно используемая длина волны составляла от 0,6 до 0,9 мкм. Основная причина в то время заключалась в том, что полупроводниковые лазерные источники света и детекторы, работающие в этом диапазоне длин волн, были относительно зрелыми, а основным продуктом было коротковолновое оптическое волокно. В настоящее время он используется редко.
2. Длинноволновое оптическое волокно-. Поскольку исследовательские работы продолжаются, при входе в диапазоны длин волн 1,31 мкм и 1,55 мкм эти два диапазона длин волн показали низкие потери, нулевую дисперсию и минимальные характеристики потерь на изгибе. Поэтому исследовательская работа постепенно сместилась в сторону этих двух диапазонов длин волн, и появились оптические волокна с лучшими характеристиками. Практика доказала, что на длинах волн 1,0 ~ 2,0 мкм оптические волокна имеют меньшие потери по сравнению с коротковолновыми оптическими волокнами.
(4)Длинноволновые-оптические волокна особенно подходят для оптоволоконной связи на большие-расстояния и с высокой-пропускной способностью благодаря их преимуществам, таким как низкое затухание и широкая полоса пропускания.
1. Обычное оптическое волокно: относится к оптическому волокну, сердцевина которого легирована германием, а распределение показателя преломления сердцевины и оболочки объединены в определенном соотношении. Поскольку этот тип оптического волокна имеет хорошие характеристики и относительно прост в производстве, он претерпел несколько поколений усовершенствований.
Это связано с высоким коэффициентом расширения материала с германием в качестве сырья. При низких температурах он сморщивается и трескается. Возникнет двойное лучепреломление под напряжением, добавляющее асимметрию оптическому волокну.
2.Оптическое волокно со смещенной-дисперсией: относится к оптическому волокну, которое подвергается термической обработке после легирования германием, в результате чего точка нулевой-дисперсии перемещается на одну длину волны, а не в три или три раза больше длины волны.
Процесс производства оптического волокна этого типа относительно сложен. Среди них диаметр сердцевины должен соответствовать степени легирования для оптимизации оптического волокна. Поэтому он еще не получил широкого распространения».
