En las comunicaciones ópticas, la guía de ondas óptica necesaria para la transmisión de señales ópticas a larga-distancia es una guía de ondas dieléctrica cilíndrica llamada fibra óptica (o simplementefibra óptica). La fibra óptica es una guía de ondas dieléctrica que opera a frecuencias ópticas, guiando la energía luminosa para que se propague en una dirección paralela a su eje.
Estructura y clasificación de fibras ópticas.
△El principio rector de la fibra óptica.
Estructura de fibra óptica:
La fibra óptica (OF) es una fibra dieléctrica transparente que se utiliza para guiar la luz. Una fibra óptica práctica se compone de múltiples capas dieléctricas transparentes. La estructura típica de una fibra óptica, como se muestra en la Figura 2-1, se puede dividir en tres capas: el núcleo con un índice de refracción más alto, el revestimiento con un índice de refracción más bajo y el revestimiento exterior. La estructura del núcleo y el revestimiento cumple con los requisitos de guiado de la luz, controlando la propagación de ondas luminosas a lo largo del núcleo; el revestimiento cumple principalmente una función protectora (al no guiar la luz, se puede teñir de varios colores).
(Figura 2-1 Estructura de una fibra óptica típica)
(1) Núcleo de fibra El núcleo de fibra está ubicado en el centro de la fibra óptica (diámetro 5~80 µm). Su composición es dióxido de silicio de alta-pureza, con trazas de dopantes como dióxido de germanio y pentóxido de fósforo añadidos. El propósito de agregar estas pequeñas cantidades de dopantes es aumentar apropiadamente el índice de refracción (n) del núcleo de la fibra. Para las fibras ópticas de comunicación, el diámetro del núcleo es de 5~10 µm (fibra monomodo-) o de 50~80 µm (fibra multimodo).
(2) Revestimiento: El revestimiento está ubicado alrededor del núcleo de la fibra (su diámetro es de aproximadamente 125 μm) y su composición también es dióxido de silicio de alta-pureza que contiene una cantidad muy pequeña de dopante. La función del dopante (como el trióxido de boro) es reducir adecuadamente el índice de refracción óptica (n2) del revestimiento, haciéndolo ligeramente más bajo que el índice de refracción del núcleo de la fibra. Para cumplir con los diferentes requisitos de conducción de luz, el revestimiento se puede fabricar en una sola capa o en varias capas.
(3) La capa más externa de la fibra óptica recubierta es un recubrimiento compuesto de acrilato, caucho de silicona y nailon, que aumenta la resistencia mecánica y la flexibilidad de la fibra óptica. El recubrimiento generalmente se divide en un recubrimiento primario y un recubrimiento secundario. El revestimiento secundario es una capa adicional de material termoplástico que se aplica sobre el revestimiento primario, de ahí que también se le llame revestimiento. El diámetro exterior de la fibra óptica recubierta es generalmente de aproximadamente 1,5 cm.
El espesor del núcleo de la fibra, la distribución del índice de refracción del material del núcleo y el índice de refracción del material de revestimiento desempeñan un papel decisivo en las características de transmisión de la fibra óptica. El material de revestimiento suele ser un material homogéneo con un índice de refracción constante. Si hay varias capas de revestimiento, los índices de refracción de cada capa de revestimiento son diferentes. El índice de refracción del núcleo de la fibra puede ser uniforme o puede variar a lo largo del radio del núcleo r. Por lo tanto, la función de distribución del índice de refracción n(r) a lo largo del radio se usa comúnmente para caracterizar el cambio en el índice de refracción del núcleo.
Clasificación de fibras ópticas:
Aquí está la traducción al inglés del texto de la imagen:
"En la actualidad, existen muchos tipos de fibras ópticas, pero sus métodos de clasificación generalmente se dividen en 4 categorías: clasificación por distribución del índice de refracción de la fibra, clasificación por modo de transmisión, clasificación por longitud de onda de trabajo y clasificación por cubierta y material de revestimiento. Además, según la composición de los componentes de la fibra óptica, además de la fibra óptica de sílice más utilizada, también existen fibras ópticas de fluoruro y fibras ópticas de plástico.
(1) Clasificación por distribución del índice de refracción de la fibra: se puede dividir en fibra de índice escalonado (SIF) y fibra de índice graduado (GIF).
1. Fibra óptica de índice escalonado: se refiere a la región del núcleo y revestimiento de la fibra donde la distribución del índice de refracción es uniforme, el valor es constante y la distribución del índice de refracción presenta una estructura en capas similar a un escalón. La variación del índice de refracción es escalonada-. La distribución del índice de refracción de la fibra óptica de índice escalonado se muestra en la Figura 2-2.
Su expresión de distribución del índice de refracción es:
n(r) = {n₁(r Menor o igual a un₁)
{n₂ (a₁< r Menor o igual que a₂)
La fibra óptica de índice escalonado es una forma estructural temprana de fibra óptica. Más tarde, en la fibra óptica multimodo, fue reemplazada gradualmente por la fibra óptica de índice graduado (porque la fibra óptica de índice graduado puede reducir en gran medida la dispersión modal de color que tiene la fibra óptica multimodo). Sin embargo, todavía es relativamente común utilizarlo para transmitir luz pulsada en fibras ópticas. Actualmente, cuando la fibra óptica monomodo- reemplaza gradualmente a la fibra óptica multimodo como principal producto de la fibra óptica comercial, la estructura de la fibra óptica de índice escalonado se ha convertido en la única forma estructural de fibra óptica monomodo-- debe ser escalonada-.
2.Fibra óptica de índice graduado: se refiere a la fibra óptica cuya distribución del índice de refracción varía con el radio r. A medida que la distancia desde el centro aumenta y disminuye gradualmente, el radio se vuelve gradualmente más pequeño. Su regla de variación generalmente se ajusta a la regla exponencial de potencia. Al llegar a la interfaz núcleo de fibra y revestimiento, se trunca a los valores correspondientes al revestimiento; en la región de revestimiento, su distribución de índice de refracción es uniforme, es decir, n₂. La distribución del índice de refracción de la fibra óptica de índice graduado se muestra en la Figura 2-3."
Su distribución del índice de refracción se expresa de la siguiente manera:
"En la ecuación, g es el número de distribución del índice de refracción; representa diferentes valores en diferentes distribuciones del índice de refracción; n₁ es el índice de refracción en el centro del núcleo de la fibra; n₂ es el índice de refracción del revestimiento; a₁ es el radio del núcleo; Δ es la diferencia relativa del índice de refracción, Δ=(n₁² - n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
La razón principal de la reducción de la dispersión intermodal de la fibra óptica de índice graduado es que reduce la dispersión modal, extiende la distancia de transmisión y aumenta la capacidad de transmisión.
(2) Clasificación por modo de transmisión:Se puede dividir en fibra multi-modo (MMF) y fibra monomodo (SMF). Como sugiere el nombre, la fibra óptica multimodo puede transmitir múltiples modos, mientras que la fibra óptica monomodo-solo puede transmitir el modo fundamental y los modos de campo eléctrico. En general, se cree que la nueva generación de soluciones de transmisión debería estar dominada por la fibra óptica monomodo-porque puede transmitir mucho más lejos que la fibra óptica multimodo. Cuando la pérdida y la dispersión del medio de transmisión son las mismas, la capacidad de transporte de información después de la modulación monomodo-es mucho mayor que después de la modulación multimodo.
Bajo ciertas condiciones de longitud de onda de trabajo, existen muchos modos de transmisión en la fibra óptica, y estos modos de fibra son fibras ópticas multimodo. El índice de refracción modal de la fibra óptica multimodo es aproximadamente el mismo que el índice de refracción del núcleo de la fibra y el número de modos es aproximadamente proporcional al cuadrado de V (frecuencia normalizada). Por lo tanto, también se le llama fibra óptica multimodo graduada. Posteriormente, gradualmente se convirtió en fibra óptica de índice graduado.
En determinadas condiciones de longitud de onda de trabajo, si solo hay un modo de transmisión en la fibra óptica, se denomina fibra óptica monomodo-. La fibra óptica monomodo-solo puede transmitir el modo fundamental (modo axial) y no hay dispersión intermodal al transmitir en este modo. En comparación con la fibra óptica multimodo con una gran cantidad de modos-de orden superior, esto es muy útil para sistemas de comunicación de fibra óptica de alta-velocidad.
(3) Clasificación por longitud de onda de trabajo: Se puede dividir en fibra óptica de longitud de onda corta-y fibra óptica de longitud de onda larga-.
1. Fibra óptica de longitud de onda corta-: en la etapa inicial del desarrollo de las comunicaciones por fibra óptica, la longitud de onda comúnmente utilizada estaba entre 0,6 ~ 0,9 μm. La razón principal en ese momento era que las fuentes de luz láser semiconductoras y los detectores que operaban en esta banda de longitud de onda eran relativamente maduros, y la fibra óptica de longitud de onda corta-era el producto principal. Actualmente rara vez se utiliza.
2. Fibra óptica de longitud de onda larga-: a medida que continúa el trabajo de investigación, al ingresar a las bandas de longitud de onda de 1,31 μm y 1,55 μm, estas dos bandas de longitud de onda han mostrado características de baja pérdida, dispersión cero y pérdida por flexión mínima. Por ello, los trabajos de investigación se han ido desplazando paulatinamente hacia estas dos bandas de longitudes de onda, y han surgido fibras ópticas con mejores prestaciones. Las prácticas han demostrado que en longitudes de onda de 1,0 ~ 2,0 μm, las fibras ópticas tienen una pérdida menor en comparación con las fibras ópticas de longitud de onda corta-.
(4) Las fibras ópticas de longitud de onda larga-son especialmente adecuadas para comunicaciones de fibra óptica de larga-distancia y alta-capacidad debido a sus ventajas, como la baja atenuación y el amplio ancho de banda.
1.Fibra óptica convencional: se refiere a la fibra óptica cuyo núcleo de fibra está dopado con germanio, el revestimiento y la distribución del índice de refracción del núcleo se combinan en una determinada proporción. Dado que este tipo de fibra óptica tiene buenas características y es relativamente fácil de producir, ha pasado por varias generaciones de mejoras.
Esto se debe al alto coeficiente de expansión del material con germanio como materia prima. A bajas temperaturas, se encogerá y agrietará. Se producirá una birrefringencia de tensión, añadiendo asimetría a la fibra óptica.
2. Fibra óptica de dispersión-desplazada: se refiere a la fibra óptica que se somete a un tratamiento térmico después del dopaje con germanio, moviendo el punto de dispersión cero-a una longitud de onda, no tres o tres veces la longitud de onda.
El proceso de fabricación de este tipo de fibra óptica es relativamente complicado. Entre ellos, el diámetro del núcleo debe coincidir con el grado de dopaje para optimizar la fibra óptica. Por lo tanto, todavía no se ha utilizado ampliamente".
