ไฟเบอร์ออปติกและสายเคเบิลใยแก้วนำแสงใช้ในการส่งพลังงานแสงและข้อมูลในระยะทางสั้นหรือไกล ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาไฟเบอร์ออปติกได้ถูกรวมเข้ากับเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ไดโอดและตัวรับแสงเพื่อให้การเติบโตอย่างรวดเร็วของระบบการสื่อสารใยแก้วนำแสง ใยแก้วนำแสงเป็นท่อนำคลื่นอิเล็กทริกแบบตัดขวางแบบวงกลมประกอบด้วยแกนกลางการหุ้มแบบศูนย์กลางรอบแกนและดัชนีการหักเหของแสงที่ต่ำกว่าเล็กน้อย (ประมาณ 1%) เส้นใยออปติคอลมักทำจากซิลิกอนไดออกไซด์ที่มีสารเจือปนเช่น GEO2 ซึ่งเปลี่ยนดัชนีการหักเหของแสงซิลิกอนไดออกไซด์ สายเคเบิลใยแก้วนำแสงห่อหุ้มเส้นใยในชั้นป้องกันที่ทำให้เส้นใยจัดการง่ายขึ้นลด crosstalk ระหว่างเส้นใยที่อยู่ติดกันและป้องกันความเสียหายต่อเส้นใยเมื่อกดกับพื้นผิวขรุขระ นอกเหนือจากข้อดีของการส่งผ่านแสงแล้วการกักเก็บแสงไปยังพื้นที่เล็ก ๆ ภายในแกนเส้นใยได้อำนวยความสะดวกในการพัฒนาเลเซอร์ไฟเบอร์และเส้นใยคริสตัลโทนิค
พื้นฐานของแสงไฟเบอร์
รูปที่ 1 แผนผังของมุมวิกฤตและ TIR (ซ้าย) การฉายรังสีแสงที่อินเทอร์เฟซการหุ้มแกนที่มุมที่มากกว่ามุมวิกฤตจะถูกขังอยู่ในแกนกลางของเส้นใย (ขวา) ความสัมพันธ์ระหว่างมุมรับ (), NA และดัชนีการหักเหของแสง
รูปที่ 1 แสดงทิศทางของแสงตกกระทบขณะที่พบอินเทอร์เฟซของสื่อกลางแสง (เช่น N2
ใยแก้วนำแสงเป็นท่อนำคลื่นอิเล็กทริกแบบวงกลมที่มีแกนกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่าการหุ้ม ดังที่แสดงในรูปที่ 1 หากเงื่อนไขเชิงมุมของ TIR เป็นที่พอใจแสงจะถูกกักตัวไว้ในแกนกลาง Na ของใยแก้วนำแสงถูกกำหนดให้เป็นไซน์ของมุมสูงสุดของอุบัติการณ์ () ของแสงตกกระทบ TIR ในแกนกลางนาเป็นตัวชี้วัดเชิงคุณภาพของความสามารถของเส้นใยออพติคอลเพื่อให้ความเข้มข้น รูปทรงเรขาคณิตและองค์ประกอบของเส้นใยออพติคอลกำหนดชุดของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแบบแยกหรือโหมดไฟเบอร์ที่สามารถแพร่กระจายผ่านเส้นใย โหมดแบ่งออกเป็นสองหมวดหมู่กว้าง: โหมดการแผ่รังสีและดำเนินการ แสงที่ปล่อยออกมาด้านนอกของมุมที่ระบุของเส้นใย NA จะกระตุ้นโหมดการแผ่รังสี
โหมดเหล่านี้นำพลังงานออกจากแกนกลางและกระจายไปอย่างรวดเร็ว แสงที่ปล่อยออกมาภายใน NA ของเส้นใยมักจะสร้างโหมดที่ดำเนินการซึ่งถูก จำกัด อยู่ที่แกนกลาง โหมดเหล่านี้เผยแพร่พลังงานไปตามเส้นใยการส่งข้อมูลและพลังงาน หากแกนกลางของใยแก้วนำแสงมีขนาดใหญ่พอมันสามารถรองรับโหมดการนำไฟฟ้าจำนวนมากในเวลาเดียวกันเช่นการแพร่กระจายแบบหลายมัลติ เมื่อแสงเกิดขึ้นเป็นเส้นใยออปติคอลโหมดจะตื่นเต้นที่จะได้รับองศาที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับสภาพเหตุการณ์ (เช่นมุมกรวยอินพุตขนาดสปอตกลางแกนกลาง) และสามารถแสดงการกระจายเชิงพื้นที่ที่หลากหลาย เช่นเดียวกับโหมดตามขวางของเลเซอร์โหมดการสั่งซื้อต่ำสุดของเส้นใยออพติคอลมีการกระจายเชิงพื้นที่ใกล้กับเกาส์เซียนและดังนั้นจึงมีข้อได้เปรียบเหมือนกันมากมาย นี่คือเหตุผลว่าทำไมจึงคาดว่าจะรักษาการส่งผ่านโหมดเดี่ยวในเส้นใยออพติคอล พารามิเตอร์ความถี่ปกติของเส้นใย (หรือที่เรียกว่าหมายเลข V) เป็นพารามิเตอร์ทางเทคนิคที่มีประโยชน์มากที่แสดงจำนวนโหมดที่ความยาวคลื่นที่กำหนดขึ้นอยู่กับ Na ของเส้นใยและรัศมีของแกน
รูปที่ 2 การลดทอนสเปกตรัมทั่วไปในเส้นใยควอตซ์ (ซ้าย) ในขณะที่แสงเดินทางไปตามเส้นใยการกระจายตัวทำให้เกิดพัลส์แสงแต่ละอันขยายตัวในโดเมนเวลา (ด้านบนขวา) ตัวอย่างของพัลส์หลายตัวที่แสดงถึงกระแสของบิตข้อมูลที่ไม่สามารถจดจำได้เนื่องจากการกระจายตัวหลังจากการแพร่กระจาย (ล่างขวา)
พลังงานแสงที่แพร่กระจายผ่านการสลายตัวของเส้นใยออพติคอลแบบทวีคูณด้วยความยาวของเส้นใยเนื่องจากการดูดซับและการสูญเสียการกระเจิง (ดูรูปที่ 2) การลดทอนเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดในระบบการสื่อสารใยแก้วนำแสงและส่งผลโดยตรงต่อระดับสัญญาณที่สามารถรับได้ ในภูมิภาค NIR และ VIS การสูญเสียการดูดซึมเล็ก ๆ ของซิลิกาบริสุทธิ์เกิดจากหางของแถบการดูดซับใน FIR และ UV สิ่งสกปรกโดยเฉพาะอย่างยิ่งน้ำในรูปแบบของไอออนไฮดรอกไซด์เป็นแหล่งการดูดซับที่โดดเด่นกว่าในเส้นใยออพติคอลเชิงพาณิชย์ การปรับปรุงล่าสุดในความบริสุทธิ์ของเส้นใยได้ลดการสูญเสียการลดทอนลงตามลำดับของ 0. 1 dB/km การสูญเสียการกระจัดกระจายสามารถนำไปสู่การลดทอนในรูปแบบของความผันผวนของดัชนีการหักเหของแสงขนาดเล็กในเส้นใยเมื่อเส้นใยได้รับการรักษาและเส้นผ่านศูนย์กลางแกนและรูปทรงเรขาคณิตนั้นผิดปกติ
แบนด์วิดธ์ของเส้นใยออพติคอลกำหนดอัตราการส่งข้อมูล กลไกที่ จำกัด แบนด์วิดท์ของใยแก้วนำแสงเรียกว่าการกระจายตัว การกระจายตัวคือการขยายตัวของพัลส์แสงที่เกิดขึ้นเมื่อมันแพร่กระจายไปตามเส้นใย ผลที่ได้คือพัลส์หนึ่งยืดออกไปอีกครั้งและข้อมูลจะแยกไม่ออก (ดูรูปที่ 2)
การกระจายตัว จำกัด แบนด์วิดท์และระยะทางที่สามารถส่งข้อมูลได้ มีการกระจายตัวหลักสองประเภท: การกระจายตัวภายในและการกระจายระหว่างมอล มีการกระจายตัวภายในโมดอลสองประเภท: การกระจายตัวของสีและการกระจายโหมดโพลาไรเซชัน การกระจายสีเป็นผลมาจากดัชนีการหักเหของวัสดุที่เปลี่ยนแปลงด้วยความยาวคลื่น การกระจายโหมดโพลาไรเซชันเกิดจากโหมดโพลาไรเซชันแบบมุมฉากที่เดินทางด้วยความเร็วที่แตกต่างกันในเส้นใยอันเป็นผลมาจาก birefringence การกระจายตัวระหว่างกันเกิดขึ้นเนื่องจากโหมดการแพร่กระจายที่แตกต่างกันเดินทางด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน ดังนั้นการกระจายตัวระหว่างกันจะใช้กับเส้นใยมัลติโหมดเท่านั้น
รูปที่ 3 การควบคุมโพลาไรเซชันในเส้นใยแสงที่เกิดจากการบีบเส้นใยจากทิศทางที่แตกต่างกัน
เส้นใยโหมดเดี่ยวรองรับโหมดประกอบด้วยโหมดโพลาไรซ์แบบ orthogonally สองโหมด นี่เป็นผลมาจากความไม่สมดุลของส่วนตัดของแกนเส้นใย โดยทั่วไปแล้วความเค้นภายนอกจะสุ่มและการเกิด birefringence ที่เกิดขึ้นจะช่วยรบกวนหรือสุ่มสถานะโพลาไรเซชัน เส้นใยพิเศษที่เรียกว่าเส้นใยที่เก็บรักษาอคติสร้างรูปแบบ birefringence ที่สอดคล้องกันตลอดความยาว นี่คือความสำเร็จโดยการเพิ่มประสิทธิภาพรูปทรงเรขาคณิตของเส้นใยและวัสดุที่สร้างความเครียดจำนวนมากในทิศทางเดียว birefringence ที่เหนี่ยวนำให้เกิดขนาดใหญ่นี้มีอิทธิพลเหนือกว่าการสุ่ม birefringence ทำให้สถานะโพลาไรเซชันได้รับการดูแลในระหว่างการแพร่กระจายภายในเส้นใย การควบคุมสถานะโพลาไรเซชันในเส้นใยแสงนั้นคล้ายคลึงกับการควบคุมพื้นที่ว่างโดยใช้แผ่นคลื่นที่ทำให้เฟสของสถานะโพลาไรเซชันสองมุมฉากเปลี่ยนไป สิ่งนี้เกิดขึ้นได้จากความเครียดที่เกิดจากการเกิด birefringence ของเส้นใยซึ่งทำให้เกิดความล่าช้าทำให้เกิดแผ่นคลื่นที่ใช้ท่อนำคลื่น อุปกรณ์โพลาไรเซชันที่คล้ายกันรวมถึงเครื่องบีบไฟเบอร์หมุนรอบเส้นใยแสดงในรูปที่ 3 การใช้ความดันกับใยแก้วนำแสงจะสร้าง birefringence เชิงเส้นทำให้เกิดคลื่นใยแก้วนำแสงที่มีความล่าช้าที่แตกต่างกันไปตามแรงดัน
