Na comunicação óptica, o guia de onda óptico necessário para transmissão de sinais ópticos de longa-distância é um guia de onda dielétrico cilíndrico chamado fibra óptica (ou simplesmentefibra óptica). A fibra óptica é um guia de ondas dielétrico que opera em frequências ópticas, orientando a energia luminosa para se propagar ao longo de uma direção paralela ao seu eixo.
Estrutura e classificação de fibras ópticas
△O princípio orientador da fibra óptica
Estrutura da fibra óptica:
A fibra óptica (OF) é uma fibra dielétrica transparente usada para guiar a luz. Uma fibra óptica prática é composta por múltiplas camadas dielétricas transparentes. A estrutura típica de uma fibra óptica, conforme mostrado na Figura 2-1, pode ser dividida em três camadas: o núcleo com índice de refração mais alto, o revestimento com índice de refração mais baixo e o revestimento externo. A estrutura do núcleo e revestimento atende aos requisitos de orientação luminosa, controlando a propagação das ondas luminosas ao longo do núcleo; o revestimento tem principalmente uma função protetora (por não guiar a luz, pode ser tingido em várias cores).
(Figura 2-1 Estrutura de uma fibra óptica típica)
(1) Núcleo de fibra O núcleo de fibra está localizado no centro da fibra óptica (diâmetro 5~80µm). Sua composição é dióxido de silício de alta{4}}pureza, com vestígios de dopantes, como dióxido de germânio e pentóxido de fósforo adicionados. O objetivo da adição destas pequenas quantidades de dopantes é aumentar adequadamente o índice de refração (n) do núcleo da fibra. Para fibras ópticas de comunicação, o diâmetro do núcleo é de 5~10µm (fibra monomodo) ou 50~80µm (fibra multimodo).
(2) Revestimento: O revestimento está localizado ao redor do núcleo da fibra (seu diâmetro é de aproximadamente 125 μm) e sua composição também é dióxido de silício de alta-pureza contendo uma quantidade muito pequena de dopante. O papel do dopante (como o trióxido de boro) é reduzir adequadamente o índice de refração óptico (n2) do revestimento, tornando-o ligeiramente inferior ao índice de refração do núcleo da fibra. Para atender aos diferentes requisitos de orientação de luz, o revestimento pode ser feito em camada única ou em múltiplas camadas.
(3) A camada mais externa da fibra óptica revestida é um revestimento composto de acrilato, borracha de silicone e náilon, que aumenta a resistência mecânica e a flexibilidade da fibra óptica. O revestimento é geralmente dividido em revestimento primário e revestimento secundário. O revestimento secundário é uma camada adicional de material termoplástico aplicada sobre o revestimento primário, por isso também é chamado de revestimento. O diâmetro externo da fibra óptica revestida é geralmente de cerca de 1,5 cm.
A espessura do núcleo da fibra, a distribuição do índice de refração do material do núcleo e o índice de refração do material de revestimento desempenham um papel decisivo nas características de transmissão da fibra óptica. O material de revestimento é geralmente um material homogêneo com índice de refração constante. Se houver múltiplas camadas de revestimento, os índices de refração de cada camada de revestimento serão diferentes. O índice de refração do núcleo da fibra pode ser uniforme ou pode variar ao longo do raio do núcleo r. Portanto, a função de distribuição do índice de refração n(r) ao longo do raio é comumente usada para caracterizar a mudança no índice de refração do núcleo.
Classificação das fibras ópticas:
Aqui está a tradução em inglês do texto da imagem:
“Atualmente, existem muitos tipos de fibras ópticas, mas seus métodos de classificação são geralmente divididos em 4 categorias: classificação por distribuição do índice de refração da fibra, classificação por modo de transmissão, classificação por comprimento de onda de trabalho e classificação por revestimento e material de revestimento.
(1) Classificação pela distribuição do índice de refração da fibra: pode ser dividida em Step Index Fiber (SIF) e Graded Index Fiber (GIF).
1. Fibra óptica de índice de degrau: refere-se ao núcleo da fibra e à região de revestimento onde a distribuição do índice de refração é uniforme, o valor é uma constante e a distribuição do índice de refração apresenta uma estrutura em camadas semelhante a um degrau. A variação do índice de refração é semelhante a um passo-. A distribuição do índice de refração da fibra óptica com índice de degrau é mostrada na Figura 2-2.
Sua expressão de distribuição de índice de refração é:
n(r) = {n₁(r Menor ou igual a um₁)
{n₂ (a₁< r Menor ou igual a a₂)
A fibra óptica de índice de degrau é uma das primeiras formas estruturais de fibra óptica. Mais tarde, na fibra óptica multimodo, ela foi gradualmente substituída pela fibra óptica de índice graduado (porque a fibra óptica de índice graduado pode reduzir bastante a dispersão modal de cores que a fibra óptica multimodo possui). Porém, ainda é relativamente comum utilizá-lo para transmitir luz pulsada em fibras ópticas. Atualmente, quando a fibra óptica-de modo único substitui gradualmente a fibra óptica multimodo como o principal produto da fibra óptica comercial, a estrutura de fibra óptica de índice de degrau se tornou a única forma estrutural de fibra óptica-modo único - deve ser semelhante a um-passo.
2. Fibra óptica de índice graduado: refere-se à fibra óptica cuja distribuição do índice de refração varia com o raio r. À medida que a distância do centro aumenta e diminui gradualmente, o raio torna-se gradualmente menor. Sua regra de variação geralmente está em conformidade com a regra exponencial de potência. Ao atingir o núcleo da fibra e a interface do revestimento, ele é truncado para os valores correspondentes ao revestimento; na região de revestimento, sua distribuição de índice de refração é uniforme, ou seja, n₂. A distribuição do índice de refração da fibra óptica com índice graduado é mostrada na Figura 2-3."
Sua distribuição de índice de refração é expressa da seguinte forma:
"Na equação, g é o número de distribuição do índice de refração; representa valores diferentes em diferentes distribuições de índice de refração; n₁ é o índice de refração no centro do núcleo da fibra; n₂ é o índice de refração do revestimento; a₁ é o raio do núcleo; Δ é a diferença relativa do índice de refração, Δ=(n₁² - n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
A principal razão para a redução da dispersão intermodal da fibra óptica de índice graduado é que ela reduz a dispersão modal, estende a distância de transmissão e aumenta a capacidade de transmissão.
(2) Classificação por modo de transmissão:Pode ser dividido em fibra-multimodo (MMF) e fibra monomodo (SMF). Como o nome sugere, a fibra óptica multimodo pode transmitir vários modos, enquanto a fibra óptica-de modo único pode transmitir apenas modos de modo fundamental e de campo elétrico. Geralmente, acredita-se que a nova geração de soluções de transmissão deve ser dominada pela fibra óptica-monomodo porque ela pode transmitir muito mais longe do que a fibra óptica multimodo. Quando a perda e a dispersão do meio de transmissão são iguais, a capacidade de transporte de informações após a modulação monomodo é muito maior do que após a modulação multimodo.
Sob certas condições de comprimento de onda de trabalho, existem muitos modos de transmissão em fibra óptica, e esses modos de fibra são fibras ópticas multimodo. O índice de refração modal da fibra óptica multimodo é aproximadamente igual ao índice de refração do núcleo da fibra, e o número de modos é aproximadamente proporcional ao quadrado de V (frequência normalizada). Portanto, também é chamada de fibra óptica multimodo graduada. Mais tarde, tornou-se gradualmente fibra óptica de índice graduado.
Sob certas condições de comprimento de onda de trabalho, se houver apenas um modo de transmissão na fibra óptica, ele será chamado de fibra óptica-modo único. A fibra óptica-de modo único só pode transmitir o modo fundamental (modo axial) e não há dispersão intermodal ao transmitir neste modo. Comparado à fibra óptica multimodo com um grande número de modos de{4}ordem superior, isso é muito útil para sistemas de comunicação de fibra óptica de alta-velocidade.
(3) Classificação por comprimento de onda de trabalho: pode ser dividida em fibra óptica de comprimento de onda curto-e fibra óptica de comprimento de onda longo-.
1. Fibra óptica de comprimento de onda-curto: no estágio inicial do desenvolvimento da comunicação de fibra óptica, o comprimento de onda comumente usado estava entre 0,6 ~ 0,9 μm. A principal razão naquela época era que as fontes de luz laser semicondutoras e os detectores operando nesta faixa de comprimento de onda eram relativamente maduros, e a fibra óptica de comprimento de onda curto era o principal produto. Atualmente, raramente é usado.
2. Fibra óptica-de comprimento de onda longo: À medida que o trabalho de pesquisa continua, ao entrar nas bandas de comprimento de onda de 1,31 μm e 1,55 μm, essas duas bandas de comprimento de onda mostraram baixa perda, dispersão zero e características mínimas de perda de flexão. Portanto, o trabalho de pesquisa mudou gradualmente para essas duas bandas de comprimento de onda, e surgiram fibras ópticas com melhor desempenho. As práticas provaram que em comprimentos de onda de 1,0 a 2,0 μm, as fibras ópticas apresentam menor perda em comparação com fibras ópticas de{8}comprimento de onda curto.
(4) Fibras ópticas-de comprimento de onda longo são particularmente adequadas para comunicação de fibra óptica de longa-distância e alta{3}}capacidade devido às suas vantagens, como baixa atenuação e ampla largura de banda.
1. Fibra óptica convencional: refere-se à fibra óptica cujo núcleo de fibra é dopado com germânio, revestimento e distribuição de índice de refração do núcleo são combinados em uma determinada proporção. Por apresentar boas características e ser relativamente fácil de produzir, esse tipo de fibra óptica passou por várias gerações de melhorias.
Isso se deve ao alto coeficiente de expansão do material tendo o germânio como matéria-prima. Em baixas temperaturas, ele encolherá e rachará. Ocorrerá birrefringência de tensão, adicionando assimetria à fibra óptica.
2. Fibra óptica-com dispersão deslocada: refere-se à fibra óptica que passa por tratamento térmico após dopagem com germânio, movendo o ponto de dispersão-zero para um comprimento de onda, não três ou três vezes o comprimento de onda.
O processo de fabricação deste tipo de fibra óptica é relativamente complicado. Dentre eles, o diâmetro do núcleo deve corresponder ao grau de dopagem para otimizar a fibra óptica. Portanto, ainda não foi amplamente utilizado."
