In der optischen Kommunikation ist der optische Wellenleiter, der für die Übertragung optischer Signale über große Entfernungen erforderlich ist, ein zylindrischer dielektrischer Wellenleiter, der als optische Faser (oder einfach „Lichtwellenleiter“) bezeichnet wirdoptische Faser). Eine optische Faser ist ein dielektrischer Wellenleiter, der bei optischen Frequenzen arbeitet und Lichtenergie so leitet, dass sie sich entlang einer Richtung parallel zu seiner Achse ausbreitet.
Struktur und Klassifizierung optischer Fasern
△Das Leitprinzip der Glasfaser
Struktur der optischen Faser:
Eine optische Faser (OF) ist eine transparente dielektrische Faser, die zur Lichtführung verwendet wird. Eine praktische optische Faser besteht aus mehreren transparenten dielektrischen Schichten. Der typische Aufbau einer optischen Faser, wie in Abbildung 2-1 dargestellt, kann in drei Schichten unterteilt werden: den Kern mit einem höheren Brechungsindex, den Mantel mit einem niedrigeren Brechungsindex und die äußere Beschichtung. Die Struktur des Kerns und der Umhüllung erfüllt die Anforderungen an die Lichtführung und kontrolliert die Ausbreitung von Lichtwellen entlang des Kerns; Die Beschichtung erfüllt hauptsächlich eine Schutzfunktion (da sie kein Licht leitet, kann sie in verschiedenen Farben eingefärbt werden).
(Abbildung 2-1 Struktur einer typischen optischen Faser)
(1) Faserkern Der Faserkern befindet sich in der Mitte der optischen Faser (Durchmesser 5–80 µm). Seine Zusammensetzung besteht aus hochreinem Siliziumdioxid, dem Spuren von Dotierstoffen wie Germaniumdioxid und Phosphorpentoxid zugesetzt sind. Der Zweck der Zugabe dieser geringen Mengen an Dotierstoffen besteht darin, den Brechungsindex (n) des Faserkerns entsprechend zu erhöhen. Bei optischen Kommunikationsfasern beträgt der Kerndurchmesser 5–10 µm (Single-{9}}-Mode-Faser) oder 50–80 µm (Multimode-Faser).
(2) Mantel: Der Mantel befindet sich um den Faserkern (sein Durchmesser beträgt etwa 125 μm) und besteht ebenfalls aus hochreinem Siliziumdioxid mit einer sehr geringen Menge an Dotierstoff. Die Aufgabe des Dotierstoffs (z. B. Bortrioxid) besteht darin, den optischen Brechungsindex (n2) des Mantels entsprechend zu reduzieren, sodass er etwas niedriger ist als der Brechungsindex des Faserkerns. Um unterschiedlichen Anforderungen an die Lichtführung gerecht zu werden, kann die Ummantelung einlagig oder mehrlagig ausgeführt werden.
(3) Die äußerste Schicht der beschichteten optischen Faser ist eine Beschichtung aus Acrylat, Silikonkautschuk und Nylon, die die mechanische Festigkeit und Flexibilität der optischen Faser erhöht. Die Beschichtung wird im Allgemeinen in eine Primärbeschichtung und eine Sekundärbeschichtung unterteilt. Bei der Sekundärbeschichtung handelt es sich um eine zusätzliche Schicht aus thermoplastischem Material, die über der Primärbeschichtung aufgetragen wird, weshalb sie auch als Verkleidung bezeichnet wird. Der Außendurchmesser der beschichteten optischen Faser beträgt im Allgemeinen etwa 1,5 cm.
Die Dicke des Faserkerns, die Brechungsindexverteilung des Kernmaterials und der Brechungsindex des Mantelmaterials spielen eine entscheidende Rolle für die Übertragungseigenschaften der optischen Faser. Das Mantelmaterial ist in der Regel ein homogenes Material mit konstantem Brechungsindex. Wenn mehrere Mantelschichten vorhanden sind, sind die Brechungsindizes jeder Mantelschicht unterschiedlich. Der Brechungsindex des Faserkerns kann einheitlich sein oder entlang des Kernradius r variieren. Daher wird üblicherweise die Brechungsindexverteilungsfunktion n(r) entlang des Radius verwendet, um die Änderung des Kernbrechungsindex zu charakterisieren.
Klassifizierung optischer Fasern:
Hier ist die englische Übersetzung des Textes aus dem Bild:
„Gegenwärtig gibt es viele Arten von optischen Fasern, aber ihre Klassifizierungsmethoden sind im Allgemeinen in vier Kategorien unterteilt: Klassifizierung nach Faserbrechungsindexverteilung, Klassifizierung nach Übertragungsmodus, Klassifizierung nach Arbeitswellenlänge und Klassifizierung nach Mantel- und Mantelmaterial. Darüber hinaus gibt es je nach Zusammensetzung der optischen Faserkomponenten neben der am häufigsten verwendeten Quarzglasfaser auch Fluorid-Lichtwellenleiter und Kunststoff-Lichtwellenleiter.
(1) Klassifizierung nach Faserbrechungsindexverteilung: kann in Step Index Fiber (SIF) und Graded Index Fiber (GIF) unterteilt werden.
1.Stufenindex-Lichtwellenleiter: Bezieht sich auf den Faserkern und den Mantelbereich, in dem die Brechungsindexverteilung gleichmäßig ist, der Wert eine Konstante ist und die Brechungsindexverteilung eine stufenartige Schichtstruktur aufweist. Die Variation des Brechungsindex ist wie eine Stufe-. Die Brechungsindexverteilung einer Stufenindex-Lichtleitfaser ist in Abbildung 2-2 dargestellt.
Sein Brechungsindexverteilungsausdruck ist:
n(r) = {n₁(r Kleiner oder gleich a₁)
{n₂ (a₁< r Kleiner oder gleich a₂)
Stufenindex-Lichtwellenleiter sind eine frühe Strukturform von Lichtwellenleitern. Später wurde es bei Multimode-Lichtwellenleitern nach und nach durch Gradientenindex-Lichtwellenleiter ersetzt (da Gradientenindex-Lichtwellenleiter die modale Farbdispersion von Multimode-Lichtwellenleitern erheblich reduzieren können). Allerdings ist die Übertragung von gepulstem Licht in optischen Fasern immer noch relativ verbreitet. Wenn derzeit optische Single---Mode-Fasern nach und nach Multimode-Glasfasern als Hauptprodukt kommerzieller optischer Fasern ersetzen, ist die Stufenindex-Glasfaserstruktur die einzige Strukturform von Single-{4}-Mode-Glasfasern geworden -, sie muss stufenartig sein.
2. Optische Faser mit abgestuftem Index: bezieht sich auf eine optische Faser, deren Brechungsindexverteilung mit dem Radius r variiert. Wenn der Abstand vom Mittelpunkt zunimmt und allmählich abnimmt, wird der Radius allmählich kleiner. Seine Variationsregel entspricht im Allgemeinen der Potenzexponentialregel. Beim Erreichen der Schnittstelle zwischen Faserkern und Mantel wird er auf die dem Mantel entsprechenden Werte gekürzt; im Mantelbereich ist seine Brechungsindexverteilung gleichmäßig, d. h. n₂. Die Brechungsindexverteilung einer optischen Faser mit abgestuftem Index ist in Abbildung 2-3 dargestellt.
Seine Brechungsindexverteilung wird wie folgt ausgedrückt:
„In der Gleichung ist g die Zahl der Brechungsindexverteilung; sie stellt unterschiedliche Werte bei unterschiedlichen Brechungsindexverteilungen dar; n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
Der Hauptgrund für die verringerte intermodale Streuung von Gradientenindex-Lichtwellenleitern besteht darin, dass sie die modale Streuung verringert, die Übertragungsentfernung verlängert und die Übertragungskapazität erhöht.
(2) Klassifizierung nach Übertragungsart:Kann in Multimode-Faser (MMF) und Singlemode-Faser (SMF) unterteilt werden. Wie der Name schon sagt, können Multimode-Glasfasern mehrere Moden übertragen, während Singlemode-Glasfasern nur Grundmoden und elektrische Feldmoden übertragen können. Es wird allgemein angenommen, dass die neue Generation von Übertragungslösungen von Single-Mode-Glasfasern dominiert werden sollte, da diese viel weiter übertragen können als Multimode-Glasfasern. Wenn Verlust und Streuung des Übertragungsmediums gleich sind, ist die Informationsübertragungskapazität nach der Singlemode-Modulation viel höher als nach der Multimode-Modulation.
Unter bestimmten Arbeitswellenlängenbedingungen gibt es in Glasfasern viele Übertragungsmodi, und diese Fasermodi sind optische Multimode-Fasern. Der modale Brechungsindex von Multimode-Lichtwellenleitern ist ungefähr derselbe wie der Brechungsindex des Faserkerns, und die Anzahl der Moden ist ungefähr proportional zum Quadrat von V (normalisierte Frequenz). Daher wird sie auch als abgestufte Multimode-Glasfaser bezeichnet. Später wurde daraus nach und nach eine optische Gradientenfaser.
Wenn unter bestimmten Arbeitswellenlängenbedingungen nur ein Übertragungsmodus in der Glasfaser vorhanden ist, spricht man von einer Single-{0}-Mode-Glasfaser. Single---Mode-Glasfasern können nur den Grundmodus (Axialmodus) übertragen, und bei der Übertragung in diesem Modus kommt es zu keiner intermodalen Dispersion. Im Vergleich zu Multimode-Glasfasern mit einer großen Anzahl von Moden höherer -Ordnung ist dies für Hochgeschwindigkeits-Glasfaserkommunikationssysteme sehr nützlich.
(3) Klassifizierung nach Arbeitswellenlänge: Kann in optische Fasern mit kurzer-Wellenlänge und optische Fasern mit langer-Wellenlänge unterteilt werden.
1. Glasfaser mit kurzer-Wellenlänge: In der Anfangsphase der Entwicklung der Glasfaserkommunikation lag die üblicherweise verwendete Wellenlänge zwischen 0,6 und 0,9 μm. Der Hauptgrund war damals, dass Halbleiterlaserlichtquellen und -detektoren, die in diesem Wellenlängenband arbeiteten, relativ ausgereift waren und kurzwellige optische Fasern das Hauptprodukt waren. Derzeit wird es selten verwendet.
2. Glasfaser mit langer-Wellenlänge: Im weiteren Verlauf der Forschungsarbeit zeigten diese beiden Wellenlängenbänder beim Eintritt in die Wellenlängenbänder von 1,31 μm und 1,55 μm geringe Verluste, keine Dispersion und minimale Biegeverlusteigenschaften. Daher hat sich die Forschungsarbeit nach und nach auf diese beiden Wellenlängenbänder verlagert, und es sind optische Fasern mit besserer Leistung entstanden. In der Praxis hat sich gezeigt, dass optische Fasern bei Wellenlängen von 1,0 bis 2,0 μm im Vergleich zu optischen Fasern mit kurzer -Wellenlänge einen geringeren Verlust aufweisen.
(4)Lichtwellenleiter mit langer-Wellenlänge eignen sich aufgrund ihrer Vorteile wie geringer Dämpfung und großer Bandbreite besonders für die Glasfaserkommunikation über große Entfernungen-mit hoher-Kapazität.
1. Konventionelle optische Faser: Bezieht sich auf eine optische Faser, deren Faserkern mit Germanium dotiert ist, der Mantel und die Brechungsindexverteilung des Kerns in einem bestimmten Verhältnis kombiniert sind. Da diese Art von Lichtwellenleitern gute Eigenschaften aufweist und relativ einfach herzustellen ist, wurde sie über mehrere Generationen hinweg verbessert.
Dies ist auf den hohen Ausdehnungskoeffizienten des Materials mit Germanium als Rohstoff zurückzuführen. Bei niedrigen Temperaturen schrumpft es und reißt. Es kommt zur Spannungsdoppelbrechung, die zu einer Asymmetrie der optischen Faser führt.
2. Dispersions-verschobene optische Faser: Bezieht sich auf eine optische Faser, die nach der Dotierung mit Germanium einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wodurch der Nullpunkt der -Dispersion in eine Wellenlänge verschoben wird, nicht in die drei- oder dreifache Wellenlänge.
Der Herstellungsprozess dieser Art von Lichtwellenleitern ist relativ kompliziert. Unter anderem muss der Kerndurchmesser mit dem Dotierungsgrad übereinstimmen, um die optische Faser zu optimieren. Daher ist es noch nicht weit verbreitet.“
