I cavi in fibra ottica e fibra ottica vengono utilizzati per trasmettere energia e informazioni di luce su distanze brevi o lunghe. Negli ultimi decenni, le fibre ottiche sono state combinate con diodi laser a semiconduttore e ricevitori ottici per consentire la rapida crescita dei sistemi di comunicazione in fibra ottica. Una fibra ottica è una guida d'onda dielettrica a sezione trasversale circolare costituita da un nucleo, un rivestimento concentrico attorno al nucleo e un indice di rifrazione leggermente inferiore (circa l'1%). Le fibre ottiche sono generalmente realizzate con biossido di silicio con droganti come GEO2, che cambia l'indice di rifrazione del biossido di silicio. I cavi in fibra ottica incapsulano la fibra in uno strato protettivo che rende la fibra più facile da gestire, riduce il crosstalk tra le fibre adiacenti e impedisce danni alla fibra quando viene premuta contro superfici ruvide. Oltre ai vantaggi della trasmissione della luce, il confinamento della luce in una piccola area all'interno del nucleo in fibra ha facilitato lo sviluppo di laser in fibra e fibre di cristalli fotonici.
Fondamenti di fibra ottica
Fig. 1 Schema di angolo critico e TIR (a sinistra). La luce irradiata all'interfaccia di rivestimento del nucleo con un angolo maggiore dell'angolo critico è intrappolata all'interno del nucleo della fibra (a destra). Relazione tra angolo di ricezione (), NA e indice di rifrazione.
La Figura 1 mostra la direzione della luce incidente in quanto incontra l'interfaccia di un mezzo di spasso chiaro (cioè, n2
Una fibra ottica è una guida d'onda dielettrica circolare con un nucleo che ha un indice di rifrazione più elevato rispetto al rivestimento. Come mostrato nella Figura 1, se la condizione angolare del TIR è soddisfatta, la luce sarà limitata nel nucleo. Il NA di una fibra ottica è definito come il seno dell'angolo massimo di incidenza () della luce incidente TIR nel nucleo.na è una misura qualitativa della capacità di una fibra ottica di concentrare la luce e indica anche quanto sia facile accoppiare la luce nella fibra. La geometria e la composizione di una fibra ottica determina l'insieme di campi elettromagnetici discreti o modalità di fibra che possono propagare attraverso la fibra. Le modalità rientrano in due grandi categorie: modalità irradiate e condotte. La luce emessa al di fuori dell'angolo specificato della fibra NA ecciterà le modalità di radiazione.
Queste modalità portano energia fuori dal nucleo e la dissipano rapidamente. La luce emessa all'interno del NA della fibra produce tipicamente modalità condotte che sono confinate nel nucleo. Queste modalità propagano energia lungo la fibra, trasmettendo informazioni e potenza. Se il nucleo di una fibra ottica è abbastanza grande, può supportare molte modalità di conduzione contemporaneamente, cioè propagazione multimodale. Quando la luce è incidente in una fibra ottica, le modalità sono eccitate a vari gradi a seconda delle condizioni incidenti (ad esempio, angolo di cono di ingresso, dimensioni del punto, centro assiale) e possono mostrare un'ampia varietà di distribuzioni spaziali. Proprio come le modalità trasversali di un laser, le modalità di ordine più basso di una fibra ottica hanno una distribuzione spaziale quasi gaussiana e quindi hanno molti degli stessi vantaggi. Questo è il motivo per cui spesso si prevede che mantenga la trasmissione in modalità singola nelle fibre ottiche. Il parametro di frequenza normalizzato di una fibra (noto anche come numero V) è un parametro tecnico molto utile che esprime il numero di modalità a una data lunghezza d'onda in base al NA della fibra e al raggio del nucleo.
Figura 2 Attenuazione spettrale tipica in una fibra di quarzo (a sinistra). Mentre la luce viaggia lungo la fibra, la dispersione provoca l'ampliamento dei singoli impulsi di luce nel dominio del tempo (in alto a destra). Esempio di più impulsi che rappresentano un flusso di bit di informazione che diventano irriconoscibili a causa della dispersione dopo la propagazione (in basso a destra).
La potenza ottica che si propaga attraverso una fibra ottica decade in modo esponenziale con la lunghezza della fibra a causa di perdite di assorbimento e dispersione (vedere la Figura 2). L'attenuazione è il fattore più importante in un sistema di comunicazione in fibra ottica e influisce direttamente sul livello di segnale che può essere ricevuto. Nelle regioni NIR e VIS, la piccola perdita di assorbimento di silice pura è dovuta alle code delle bande di assorbimento in FIR e UV. Le impurità, in particolare l'acqua sotto forma di ioni idrossido, sono una fonte di assorbimento più dominante nelle fibre ottiche commerciali. I recenti miglioramenti nella purezza delle fibre hanno ridotto la perdita di attenuazione all'ordine di 0. 1 db/km. La perdita di scattering può anche portare all'attenuazione sotto forma di piccole fluttuazioni dell'indice di rifrazione nella fibra quando la fibra è curata e il diametro del nucleo e la geometria sono irregolari.
La larghezza di banda di una fibra ottica determina la sua velocità di trasmissione dei dati. Il meccanismo che limita la larghezza di banda di una fibra ottica si chiama dispersione. La dispersione è l'ampliamento degli impulsi di luce che si presenta mentre si propagano lungo la fibra. Il risultato è che un impulso si estende in un altro e le informazioni diventano indistinguibili (vedi Figura 2).
La dispersione limita la larghezza di banda e la distanza su cui le informazioni possono essere trasmesse. Esistono due tipi principali di dispersione: dispersione intra-modale e dispersione inter-modale. Esistono due diversi tipi di dispersione intra-modale: dispersione di dispersione cromatica e modalità di polarizzazione. La dispersione cromatica è semplicemente il risultato dell'indice di rifrazione di un materiale che cambia con lunghezza d'onda. La dispersione della modalità di polarizzazione è dovuta a modalità di polarizzazione ortogonali che viaggiano a velocità diverse nella fibra a causa della birifrangenza. La dispersione intermodale si verifica perché diverse modalità di propagazione viaggiano a velocità diverse. Pertanto, la dispersione intermodale si applica solo alle fibre multimodali.
Figura 3 Controllo di polarizzazione in una fibra ottica innescata stringendo la fibra da diverse direzioni.
Modalità di supporto delle fibre singole costituite da due modalità polarizzate ortogonalmente. Questa è una conseguenza dell'asimmetria della sezione trasversale del nucleo della fibra. In genere, le sollecitazioni esterne sono casuali e la birifrangenza indotta risultante aiuta a disturbare o randomizzare gli stati di polarizzazione. Le fibre speciali, chiamate fibre che preservano la distorsione, producono un modello di birifrangenza coerente per la loro lunghezza. Ciò si ottiene ottimizzando la geometria della fibra e i materiali che producono una grande quantità di stress in una direzione. Questa grande birifrangenza indotta domina rispetto alla birifrangenza casuale, consentendo di mantenere lo stato di polarizzazione durante la propagazione all'interno della fibra. Il controllo dello stato di polarizzazione in una fibra ottica è analogo al controllo dello spazio libero applicando una piastra d'onda che provoca il cambiamento della fase di due stati di polarizzazione ortogonale. Ciò è ottenuto dalla birifrangenza indotta da stress della fibra, che provoca un ritardo, con conseguente piastra d'onda a base di guide d'onda. Un dispositivo di polarizzazione simile, incluso uno spremuto in fibra che ruota attorno alla fibra, è mostrato nella Figura 3. L'applicazione della pressione sulla fibra ottica produce birifrangenza lineare, formando efficacemente una guida d'onda in fibra ottica con un ritardo che varia con la pressione.
