Fibra òptica: comprensió dels conceptes bàsics

Res ha canviat tant el món de les comunicacions com el desenvolupament i implementació de la fibra òptica. Aquest article ofereix els principis bàsics necessaris per treballar amb aquesta tecnologia.
 

Personal d'enginyeria i màrqueting

Les fibres òptiques estan fetes de vidre o plàstic. La majoria tenen aproximadament el diàmetre d'un cabell humà i poden tenir molts quilòmetres de llarg. La llum es transmet al llarg del centre de la fibra d'un extrem a l'altre i es pot imposar un senyal. Els sistemes de fibra òptica són superiors als conductors metàl·lics en moltes aplicacions. El seu major avantatge és l'ample de banda. A causa de la longitud d'ona de la llum, és possible transmetre un senyal que conté molta més informació que la que és possible amb un conductor metàl·lic, fins i tot un conductor coaxial. Altres avantatges inclouen:

• Aïllament elèctric - La fibra òptica no necessita connexió a terra. Tant el transmissor com el receptor estan aïllats l'un de l'altre i, per tant, estan lliures de problemes de bucle de terra. A més, no hi ha perill d'espurnes ni de descàrrega elèctrica.

• Llibertat d'EMI: la fibra òptica és immune a les interferències electromagnètiques (EMI) i no emeten cap radiació per causar altres interferències.

• Baixa pèrdua de potència - Això permet recorreguts de cable més llargs i menys amplificadors repetidors.

• Més lleuger i petit: la fibra pesa menys i necessita menys espai que els conductors metàl·lics amb capacitat de transport de senyal equivalent.

El fil de coure és aproximadament 13 vegades més pesat. La fibra també és més fàcil d'instal·lar i requereix menys espai de conductes.

Aplicacions

Algunes de les principals àrees d'aplicació de les fibres òptiques són:

• Comunicacions: la transmissió de veu, dades i vídeo són els usos més habituals de la fibra òptica, i aquests inclouen:

– Telecomunicacions
- Xarxes d'àrea local (LAN)
– Sistemes de control industrial
– Sistemes aviònics
– Sistemes de comandament, control i comunicacions militars

• Detecció: la fibra òptica es pot utilitzar per lliurar llum des d'una font remota a un detector per obtenir informació sobre pressió, temperatura o espectral. La fibra també es pot utilitzar directament com a transductor per mesurar una sèrie d'efectes ambientals, com ara la tensió, la pressió, la resistència elèctrica i el pH. Els canvis ambientals afecten la intensitat de la llum, la fase i/o la polarització de maneres que es poden detectar a l'altre extrem de la fibra.

• Subministrament d'energia: les fibres òptiques poden oferir nivells de potència notablement elevats per a tasques com ara el tall per làser, la soldadura, el marcatge i la perforació.

• Il·luminació: un feix de fibres reunides amb una font de llum en un extrem pot il·luminar zones de difícil accés, per exemple, dins del cos humà, juntament amb un endoscopi. A més, es poden utilitzar com a senyal d'exhibició o simplement com a il·luminació decorativa.

 

Figura 1. Una fibra òptica consta d'un nucli, un revestiment i un recobriment.

 

Construcció

Una fibra òptica consta de tres elements concèntrics bàsics: el nucli, el revestiment i el recobriment exterior (figura 1).

El nucli sol ser de vidre o plàstic, encara que de vegades s'utilitzen altres materials, segons l'espectre de transmissió desitjat.

El nucli és la part que transmet la llum de la fibra. El revestiment sol estar fet del mateix material que el nucli, però amb un índex de refracció lleugerament inferior (normalment un 1% més baix). Aquesta diferència d'índex fa que es produeixi una reflexió interna total al límit de l'índex al llarg de la longitud de la fibra de manera que la llum es transmeti per la fibra i no s'escapi a través de les parets laterals.

 

 

Figura 2.Un feix de llum que passa d'un material a un altre d'un índex de refracció diferent es doblega o es refracta a la interfície.

El recobriment sol incloure una o més capes d'un material plàstic per protegir la fibra de l'entorn físic. De vegades s'afegeixen beines metàl·liques al recobriment per a una major protecció física.

Les fibres òptiques solen especificar-se per la seva mida, donada com el diàmetre exterior del nucli, el revestiment i el recobriment. Per exemple, un 62,5/125/250 es referiria a una fibra amb un nucli de 62,5-µm de diàmetre, un revestiment de 125-µm de diàmetre i un 0.{{8} }mm de diàmetre recobriment exterior.

 

 

Hi ha 81 proveïdors de fibres de fibra òptica al mercat de fotònica

 

Principis

Els materials òptics es caracteritzen pel seu índex de refracció, anomenat n. L'índex de refracció d'un material és la relació entre la velocitat de la llum en el buit i la velocitat de la llum en el material. Quan un feix de llum passa d'un material a un altre amb un índex de refracció diferent, el feix es doblega (o es refracta) a la interfície (figura 2).

La refracció es descriu per la llei de Snell:

onn_Iin_Rsón els índexs de refracció dels materials a través dels quals es refracta el feix iIiRsón els angles d'incidència i refracció del feix. Si l'angle d'incidència és més gran que l'angle crític de la interfície (normalment uns 82 graus per a fibres òptiques), la llum es reflecteix de nou al medi incident sense pèrdua mitjançant un procés conegut com a reflexió interna total (figura 3).

Figura 3.La reflexió interna total permet que la llum romangui dins del nucli de la fibra.

 

Mireu una definició de vídeo de reflexió interna total.

Modes

Quan la llum és guiada per una fibra (a mesura que les microones són guiades per una guia d'ones), es produeixen canvis de fase a cada límit reflectant. Hi ha un nombre discret i finit de camins per la fibra òptica (coneguts com a modes) que produeixen canvis de fase constructius (en fase i, per tant, additius) que reforcen la transmissió. Com que cada mode es produeix en un angle diferent a l'eix de la fibra a mesura que el feix viatja al llarg de la longitud, cadascun recorre una longitud diferent a través de la fibra des de l'entrada fins a la sortida. Només un mode, el mode d'ordre zero, recorre la longitud de la fibra sense reflexos de les parets laterals. Això es coneix com a fibra monomode. El nombre real de modes que es poden propagar en una fibra òptica determinada ve determinat per la longitud d'ona de la llum i el diàmetre i l'índex de refracció del nucli de la fibra.
 

Hi ha diverses causes d'atenuació en una fibra òptica:

 

• Dispersió Rayleigh - Les variacions a escala microscòpica en l'índex de refracció del material del nucli poden provocar una dispersió considerable en el feix, donant lloc a pèrdues substancials de potència òptica. La dispersió de Rayleigh depèn de la longitud d'ona i és menys significativa a longituds d'ona més llargues. Aquest és el mecanisme de pèrdua més important de les fibres òptiques modernes, que en general representa fins al 90% de qualsevol pèrdua experimentada.

 

• Absorció - Els mètodes de fabricació actuals han reduït l'absorció causada per les impureses (sobretot l'aigua de la fibra) a nivells molt baixos. Dins del pas de banda de transmissió de la fibra, les pèrdues d'absorció són insignificants.

• Doblat: els mètodes de fabricació poden produir corbes minúscules en la geometria de la fibra. De vegades, aquestes corbes seran prou grans com per fer que la llum del nucli toqui la interfície nucli/revestiment a menys de l'angle crític de manera que es perdi la llum al material del revestiment. Això també pot passar quan la fibra es doblega en un radi estret (menys d'uns quants centímetres, per exemple). La sensibilitat de flexió s'expressa normalment en termes de pèrdua dB/km per a un radi de flexió i una longitud d'ona concrets.

 

 

Figura 4.L'obertura numèrica depèn de l'angle en què els raigs entren a la fibra i del diàmetre del nucli de la fibra.

 

Tipus de fibra

Bàsicament hi ha tres tipus de fibra òptica: mode únic, índex graduat multimode i índex de pas multimode. Es caracteritzen per la manera com la llum viatja per la fibra i depenen tant de la longitud d'ona de la llum com de la geometria mecànica de la fibra. A la figura 5 es mostren exemples de com propaguen la llum.

 

 

La nostra empresa s'especialitza en la producció de fibres / cables òptics de plàstic i tot tipus de cables de connexió de fibra òptica, si esteu interessats, no dubteu a contactar amb mi.