סיבים אופטיים וכבלי סיבים אופטיים משמשים להעברת אנרגיית אור ומידע על פני מרחקים קצרים או ארוכים. במהלך העשורים האחרונים שולבו סיבים אופטיים עם דיודות לייזר מוליכים למחצה ומקלטים אופטיים כדי לאפשר צמיחה מהירה של מערכות תקשורת סיבים אופטיים. סיב אופטי הוא מוליך גל דיאלקטרי חתך רוחבי המורכב מליבה, חיפוי קונצנטרי סביב הליבה ומדד שבירה מעט נמוך יותר (בערך 1%). סיבים אופטיים עשויים בדרך כלל מסיליקון דו חמצני עם סמים כמו Geo2, המשנה את מדד השבירה של הסיליקון דו חמצני. כבלי סיבים אופטיים עוטפים את הסיב בשכבת מגן המקלה על הטיפול בסיב, מפחיתה את המפגש בין סיבים סמוכים ומונע נזק לסיב כאשר הוא נלחץ כנגד משטחים גסים. בנוסף ליתרונות העברת האור, הכליאה של האור לאזור קטן בתוך ליבת הסיבים הקלה על התפתחות לייזרי סיבים וסיבי קריסטל פוטוניים.
יסודות סיבים אופטיים
איור 1 סכמטי של זווית קריטית ו- TIR (משמאל). אור שהוקרן בממשק עטוף הליבה בזווית גדולה מהזווית הקריטית נלכדת בתוך ליבת הסיב (מימין). הקשר בין זווית קבלת (), NA לבין מדד השבירה.
איור 1 מציג את כיוון האור האירוע כשהוא נתקל בממשק של מדיום סוס קל (כלומר, n2
סיב אופטי הוא מדף גל דיאלקטרי מעגלי עם גרעין שיש לו מדד שבירה גבוה יותר מאשר החיפוי. כפי שמוצג באיור 1, אם מצבו הזוויתי של TIR מתקיים, האור יהיה מוגבל בליבה. ה- NA של סיב אופטי מוגדר כסינוס של זווית השכיחות המרבית () של אור האירוע של ה- TIR בליבה. NA הוא מדד איכותי ליכולתו של סיב אופטי לרכז אור, ומציין גם כמה קל לקשר אור לסיב. הגיאומטריה וההרכב של סיב אופטי קובעים את מערך השדות האלקטרומגנטיים הבודדים או מצבי סיבים שיכולים להתפשט דרך הסיב. המצבים נכללים בשתי קטגוריות רחבות: מצבים מקרינים ומנוהלים. אור שנפלט מחוץ לזווית שצוינה של הסיבים NA ילהיב את מצבי הקרינה.
מצבים אלה מוציאים אנרגיה מהליבה ומפזרים אותה במהירות. אור הנפלט בתוך ה- NA של הסיבים מייצר בדרך כלל מצבים מנוהלים המוגבלים לליבה. מצבים אלה מפיצים אנרגיה לאורך הסיבים, מעבירים מידע וכוח. אם הליבה של סיב אופטי גדולה מספיק, היא יכולה לתמוך במצבי הולכה רבים בו זמנית, כלומר, התפשטות מולטימווד. כאשר האור מתרחש בסיב אופטי, המצבים נרגשים לדרגות שונות בהתאם לתנאי האירוע (למשל, זווית חרוט קלט, גודל נקודה, מרכז צירי) ויכולים להציג מגוון רחב של התפלגויות מרחביות. בדומה למצבים רוחביים של לייזר, למצבי ההזמנה הנמוכים ביותר של סיב אופטי יש תפוצה מרחבית כמעט-גאוסית ולכן הם בעלי יתרונות רבים מאותם יתרונות. זו הסיבה שלעתים קרובות היא צפויה לשמור על העברת מצב בודד בסיבים אופטיים. פרמטר התדר הנורמלי של סיב (הידוע גם בשם מספר ה- V) הוא פרמטר טכני שימושי מאוד המבטא את מספר המצבים באורך גל נתון המבוסס על NA של הסיב ורדיוס הליבה.
איור 2 איור 2 הנחתה ספקטרלית טיפוסית בסיב קוורץ (משמאל). כאשר האור עובר לאורך הסיבים, הפיזור גורם לפולסי אור בודדים להתרחב בתחום הזמן (מימין למעלה). דוגמה לפולסים מרובים המייצגים זרם של קטעי מידע אשר הופכים בלתי ניתנים לזיהוי בגלל פיזור לאחר ההתפשטות (מימין למטה).
הכוח האופטי המתפשט דרך סיב אופטי מתפרק באופן אקספוננציאלי עם אורך הסיבים עקב הפסדי ספיגה ופיזור (ראה איור 2). הנחתה היא הגורם החשוב ביותר במערכת תקשורת סיבית אופטית ומשפיע ישירות על רמת האות שניתן לקבל. באזורים NIR ו- VIS, אובדן הקליטה הקטן של סיליקה טהורה נובע מזנבות פסי הקליטה ב- FIR ו- UV. זיהומים, במיוחד מים בצורת יוני הידרוקסיד, הם מקור ספיגה דומיננטי יותר בסיבים אופטיים מסחריים. השיפורים האחרונים בטוהר הסיבים הפחיתו את אובדן ההנחתה לסדר של 0. 1 dB/km. אובדן פיזור יכול להוביל גם להנחתה בצורה של תנודות אינדקס שבירה קטנות בסיב כאשר הסיב נרפא וקוטר הליבה והגיאומטריה אינם סדירים.
רוחב הפס של סיב אופטי קובע את קצב העברת הנתונים שלו. המנגנון המגביל את רוחב הפס של סיב אופטי נקרא פיזור. פיזור הוא הרחבת פולסים קלים המתרחשים כשהם מתפשטים לאורך הסיבים. התוצאה היא שדופק אחד נמתח לאחר ומידע הופך לא ניתן להבחין בו (ראה איור 2).
פיזור מגביל את רוחב הפס והמרחק עליו ניתן להעביר מידע. ישנם שני סוגים עיקריים של פיזור: פיזור פנים-מודאלי ופיזור בין-מודאלי. ישנם שני סוגים שונים של פיזור פנים-מודאלי: פיזור כרומטי ומצב קיטוב. פיזור כרומטי הוא פשוט תוצאה של מדד השבירה של חומר המשתנה באורך גל. פיזור מצב קיטוב נובע ממצבי קיטוב אורתוגונאליים הנוסעים במהירויות שונות בסיב כתוצאה מהפרעה. פיזור בין -מודאלי מתרחש מכיוון שמצבי התפשטות שונים נוסעים במהירות שונה. לפיכך, פיזור בין -מודאלי חל רק על סיבי מולטימווד.
איור 3 בקרת קיטוב בסיב אופטי המופעל על ידי סחיטת הסיב מכיוונים שונים.
סיבים יחידים תומכים במצבי תמיכה המורכבים משני מצבים מקוטבים אורתוגונליים. זו תוצאה של הא-סימטריה של חתך הרוחב של ליבת הסיבים. בדרך כלל, הלחצים החיצוניים הם אקראיים, וההפרעה הנגרמת כתוצאה מכך מסייעת להפריע או לאקראי את מצבי הקיטוב. סיבים ייחודיים, המכונים סיבים שמורים הטיה, מייצרים דפוס התנעה עקבי על אורכם. זה מושג על ידי אופטימיזציה של הגיאומטריה של הסיבים והחומרים המייצרים כמות גדולה של לחץ בכיוון אחד. ההפרעה הגדולה הנגרמת גדולה זו שולטת בהשוואה להפרעה אקראית, ומאפשרת לשמור על מצב הקיטוב במהלך ההתפשטות בתוך הסיב. שליטה על מצב הקיטוב בסיב אופטי היא מקבילה לבקרת שטח חופשי על ידי יישום לוח גל הגורם לשלב של שני מצבי קיטוב אורתוגונאליים להשתנות. זה מושג על ידי סטרס הנגרם על ידי סיבוב של הסיב, הגורם לעיכוב, וכתוצאה מכך לוחית גל מבוססת גל. מכשיר קיטוב דומה, כולל סחיטת סיבים המסתובבת סביב הסיב, מוצג באיור 3. החלת לחץ על הסיב האופטי מייצרת את ההפרעה ליניארית, ויוצרת ביעילות מדריך גל סיב אופטי בעיכוב המשתנה עם לחץ.
