Resumen: Fibra óptica y sus aplicaciones. Amplificadores y láseres de fibra óptica

Óptica

Óptica Óptica. 1 Contenidos de esta ciencia. – O. es un departamento de física que se ocupa de los fenómenos luminosos; se divide en las siguientes partes: a) O. geométrica, b) O. física y c) O. fisiológica. La base de la O. geométrica está formada por la experiencia.

Fibra óptica

Óptica

LA FIBRA ÓPTICA es una rama de la óptica en la que se estudia la distribución de las fibras ópticas.

a lo largo de fibras ópticas (FO) y los fenómenos que de ellas se derivan.

V.o. Surgió en los años 50. siglo 20 En los primeros 20 años de desarrollo, como elementos de V. o. usado cap. Arr. hebras (con colocación regular e irregular) de aproximadamente varias longitudes. m El material para la fabricación de dichos aviones fueron fibras ópticas multicomponentes.

vaso; La transmisión de guías de luz en la región visible del espectro fue del 30-70% a una longitud de 1 m. La transmisión se debe a la atenuación de la luz en el vidrio debido a la alta concentración de impurezas. La apertura numérica de las guías de luz es 0,5-1. Naib. Los haces de conductores de luz se utilizan ampliamente para iluminar objetos de difícil acceso y para transmitir imágenes en la fabricación de instrumentos, en particular en el sector tecnológico. y endoscopia médica. En los años 70 siglo 20 ocurrió el renacimiento V. o., cuando se desarrolló el sol a base de vidrio de cuarzo con óptica. Pérdidas ~1 dB/km en la región del infrarrojo cercano del espectro. (La transmisión de dichas guías de luz es ~50% para una longitud de guía de luz de varios kilómetros). Estas guías de luz se utilizan en sistemas de largo alcance. comunicaciones ópticas

, en sistemas de comunicación a bordo, sistemas de transmisión telemétrica. información, en varios sensores. físico campos (campos magnéticos, temperatura, rotación, ondas acústicas), etc. Una guía de luz de fibra en su forma más simple es un hilo largo y flexible con un núcleo hecho de un material muy transparente con un índice de refracción. n 1 Una guía de luz de fibra en su forma más simple es un hilo largo y flexible con un núcleo hecho de un material muy transparente con un índice de refracción. rodeado por una concha con un índice de refracción

Arroz. 1. Sección transversal y perfil del índice de refracción de la sección transversal de las fibras: a - escalonado multimodo; b - monomodo; V- gradiente multimodo.

La propagación de la luz a lo largo del sol se debe a la completa interna en la interfaz núcleo-shell. Los rayos inciden en el límite del núcleo y el revestimiento en un ángulo donde

experiencia interna completa reflexión, lo que conduce a la propagación en zigzag de la luz a lo largo de la guía de luz (Fig. 2). En este caso, el ángulo de incidencia del haz en el extremo de la guía de luz es

Arroz. 2. Trayectoria de los rayos en una fibra multimodo con perfil de índice de refracción escalonado.

Los rayos meridionales que inciden en ángulo en la interfaz núcleo-revestimiento (línea discontinua en la Fig. 2), parcialmente reflejados en la interfaz, se refractan hacia el interior de la capa y se absorben externamente. revestimiento absorbente. Por tanto, el ángulo es una medida de la capacidad del sol para captar luz y se llama seno de este ángulo. apertura numérica BC. .

El enfoque del haz refleja correctamente los principios básicos. Características de la propagación de la luz en AF multimodo, para las cuales (longitud de onda de la luz). Sin embargo, la teoría ondulatoria proporciona una imagen completa de la propagación de la luz a lo largo del Sol, que permite la propagación sólo de un conjunto discreto de modos a lo largo del Sol.

Al analizar la propagación de la luz a lo largo del Sol, se utiliza ampliamente la aproximación de modos débilmente guiados. En esta aproximación, los campos de los modos guiados están prácticamente polarizados linealmente y todos los componentes del campo pueden obtenerse como derivadas de una componente transversal predominante del vector eléctrico. Los campos, los bordes se expresan como traza. forma: Aquí A - constante; se omite la dependencia del tiempo; - Función de Bessel y función de orden de Macdonald - constante de propagación de modos guiados, determinada a partir de la solución del problema de valores límite (sólo se pueden tomar valores discretos en el intervalo ); z - dirección de propagación coincidente con el eje de la aeronave;

- número de onda transversal en el núcleo del sol; =- transversal en el casco del avión; -número de onda en el espacio libre.

El tamaño se llama parámetro característico de la guía de luz y determina el número de modos

Pérdidas en una guía de luz de fibra.

Atenuación óptica señal en el sol de vidrio en los rangos de longitud de onda visible e infrarrojo cercano, es decir, en regiones espectrales donde los vidrios de cuarzo tienen un máximo. transparencia, definida como fundam.

mecanismos de absorción y dispersión de la luz en vidrios, así como dispersión y absorción por impurezas y defectos estructurales. 1 A los fondos. mecanismos ópticos Las pérdidas en los vidrios de cuarzo incluyen: absorción debida a transiciones electrónicas (a = 0,8 µm no supera 1 dB/km); La absorción de infrarrojos, causada por las vibraciones de la red, comienza a reproducir criaturas. papel (absorción superior a, por ejemplo, dB/km) sólo en 1,8 µm; Rayleigh sobre la falta de homogeneidad de la composición y la densidad del vidrio, más pequeño (a = 0,8 micrones no supera algunos dB/km). Así, máx. La transparencia de las gafas de sol a base de cristales de cuarzo está en el rango de 0,8 a 1,8 micrones. En la Fig. La Figura 3 muestra las dependencias espectrales de las pérdidas ópticas a, causadas por mecanismos fundamentales, para vidrio de cuarzo dopado con Ge. - ; 3 Arroz. 3. Dependencias espectrales de las pérdidas ópticas en vidrio de cuarzo dopado con germanio: 4 - absorción por transiciones electrónicas;

S

- absorción por vibraciones de la red;

La dispersión material del sol está determinada por la dependencia del índice de refracción del material del que está hecha la guía de luz. En este caso, la velocidad de grupo del modo depende de la frecuencia de la luz, y dado que la óptica El pulso siempre tiene un ancho espectral finito y se amplía a medida que se propaga a lo largo de la fibra. Ampliación del pulso debido a la dispersión del material durante la propagación a lo largo de una fibra de longitud. l

es igual

Cuando se propaga a través de una fibra óptica con un núcleo de cuarzo, el ensanchamiento de un pulso de un LED basado en GaAlAs que opera a una longitud de onda de =0,8 μm y que tiene una longitud relativa el ancho espectral =0,04 es =4 ns/km. El ensanchamiento del pulso debido a la dispersión del material disminuye drásticamente si la radiación portadora se selecciona en la región espectral cercana a 1,3 μm, ya que en esta región para los vidrios de cuarzo el valor

La dispersión de la guía de onda está relacionada con la dependencia de la velocidad del grupo de un modo dado con respecto a la dispersión de la guía de onda y suele ser insignificante en comparación con el valor de la dispersión del material.<<1,7 мкм, можно выбором легирования и подбором диаметра сердцевины ВС добиться взаимной компенсации и обеспечить наим. уширение импульса (наиб. полосу пропускания) в одномодовых ВС.

En un AF hecho de vidrio de cuarzo dopado, hay regiones donde la dispersión del material es igual en magnitud a la dispersión de la guía de ondas y difiere en signo de ésta. En estas áreas se encuentran en el rango de 1,2 Procesos no lineales en fibras ópticas. . Debido a la isotropía del material del núcleo de las fibras de vidrio, el término no lineal más bajo en la expansión de la polarización en términos de campo es cúbico, es decir polarización no lineal . La susceptibilidad cúbica está relacionada con el índice de refracción no lineal. n nl . La susceptibilidad cúbica está relacionada con el índice de refracción no lineal. pista. relación: magnitud . La susceptibilidad cúbica está relacionada con el índice de refracción no lineal. el cuarzo fundido es pequeño: ~ 10 -13 en unidades CGSE. Sin embargo, una disminución en el diámetro del núcleo (hasta ~ 10 μm) y una baja óptica Las pérdidas de BC permiten mantener una alta intensidad óptica. radiación (~10 10 W/cm 2) en longitudes de fibra de más de 1 km y, por lo tanto, es fácil observar la descomposición en el BC. fenómenos no lineales. Por ejemplo, el primer componente de Stokes de la combinación forzada. dispersión de la luz (BKP, ver Dispersión de luz estimulada

) se observa con una potencia de bomba de varios. cientos de mW. Espectro combinado

La ventaja fundamental de los aviones para óptica. La comunicación es una enorme banda ancha con poca fibra óptica. pérdidas. Así, por ejemplo, las fibras de vidrio en la región de dispersión cero del material (1,3 μm) permiten transmitir señales con un ancho de banda de ~100 GHz*km con pérdidas.<1 дБ/км. Волоконная связь отличается также невосприимчивостью к эл--магн. помехам, малым объёмом и весом линий передач; помогает экономить дефицитные цветные металлы.

Al Principio años 80 Se ha creado una base de elementos de fibra óptica. Sistemas de comunicación de primera generación, desarrollados y probados en condiciones reales. sistemas. Estos sistemas se utilizan en redes telefónicas, televisión por cable, comunicaciones a bordo e informática. tecnología, sistemas de control y gestión technol. procesos y potentes centrales eléctricas.

Iluminado.: Weinberg V.B., Sattarov D.K., Óptica de guías de luz, 2ª ed., L., 1877; Kapani N. S., Fibra óptica, trad. Del inglés, M., 1969; Tiedeken R., Fibra óptica y su aplicación, trad.

De inglés, M., 1975; Devyatykh G.G., Dianov E.M., Guías de luz de fibra con bajas pérdidas ópticas, "Vestn. AN SSSR", 1981, M 10, p. 54; Midwinter J.E., Guías de luz de fibra para transmisión de información, trans. Del inglés, M., 1983;

Dianov E. M., Prokhorov A. M., Láseres y fibra óptica, UFN, 1986, v. 148, p. 289.

Presentación para la lección “Reflexión interna total”

profesores del Liceo MAOU No. 14

Ermakova T.V. año 2014

Fibra óptica

• Es una rama de la óptica que estudia la propagación de la luz y la transmisión de información a lo largo de guías de luz.

• Esta es una de las áreas de más rápido crecimiento de la física láser moderna. El principio de transmisión de luz utilizado en la fibra óptica se demostró por primera vez durante el reinado de la reina Victoria (1837-1901).

• Narinder Kapani (12/10/1926) - uno de los fundadores de la fibra óptica El desarrollo de la tecnología moderna de fibras comenzó en 1966, cuando dos científicos japoneses

• Kao y Hokema propuso utilizar fibras de vidrio largas para transmitir la señal luminosa. En 1970 la empresa

• "Vidrio Corning" desarrolló por primera vez una guía de luz adecuada para transmitir una señal luminosa. Fibra óptica
• Es una guía de ondas dieléctrica hecha de vidrio de cuarzo
• Centro- Es la región del centro de la fibra cuyo índice de refracción es mayor que el del revestimiento y en la que se distribuye la mayor parte de la energía de la señal luminosa.

• Propagación de rayos de luz en fibras ópticas.

La comunicación por fibra óptica se basa en el fenómeno de la reflexión interna total de ondas electromagnéticas en la interfaz entre dieléctricos con diferentes índices de refracción.

La guía de luz es una fibra de vidrio cilíndrica recubierta con una funda de material transparente con un índice de refracción menor que la fibra. Debido a la reflexión total múltiple, la luz puede dirigirse a lo largo de cualquier camino (recto o curvo). Las fibras se agrupan en haces. En este caso, cada una de las fibras transmite algún elemento de la imagen.

Propagación de un haz de luz en una guía de ondas.

Se utilizan dos tipos de fibra para transmitir señales: modo singular SMF y multimodo FMM.

Las primeras fibras ópticas fueron multimodo, es decir Varias ondas de luz podrían atravesarlos al mismo tiempo.

La fibra monomodo de última tecnología tiene un diámetro de núcleo tan pequeño que permite enderezar la trayectoria de un haz individual y reducir en gran medida las pérdidas de intensidad de la señal.

Una fibra puede transmitir simultáneamente

10 millones conversaciones telefónicas y millón señales de vídeo. La velocidad de transmisión de datos se puede aumentar transmitiendo información en dos direcciones a la vez, ya que las ondas de luz pueden propagarse independientemente una de otra en una fibra. Además, en una fibra óptica se pueden propagar señales luminosas de dos polarizaciones diferentes, lo que permite duplicar el rendimiento de un canal de comunicación óptica.

Se utilizan métodos de fibra óptica:

• en dispositivos médicos (iluminación de nasofaringe, estómago, etc.);
• en filmaciones de alta velocidad;
• en física nuclear (registro de huellas de partículas nucleares);
• en comunicaciones ópticas;
• en fototelegrafía y telemetría (convertidores de códigos y dispositivos de cifrado);
• en informática, acústica, etc.

Un dispositivo importante que utiliza fibra óptica es el teléfono de fibra óptica, que se utiliza para comunicación bidireccional.

• La fibra óptica tiene un ancho de banda mucho mayor que el cable metálico. Es decir, puede transportar más datos.
• El cable de fibra óptica es menos susceptible a las interferencias que el cable metálico y es mucho más delgado y liviano que el cable metálico.
• Los datos pueden transmitirse digitalmente en lugar de analógico.
• Una propiedad importante de la fibra óptica es la durabilidad.

• La principal desventaja de la fibra óptica es que el cable de fibra óptica es el más caro de todos los tipos de cable.
• El cable de fibra óptica es muy frágil, lo que dificulta mucho la instalación.

Fibra óptica en la naturaleza.

Los investigadores descubrieron recientemente fibras ópticas de alta calidad en los cuerpos de esponjas de aguas profundas del género Euplectellas.

Conclusión

Los sistemas de comunicación de fibra óptica proporcionan la máxima velocidad de transferencia de información.

Incluyen los últimos avances en óptica, electrónica, ciencia de materiales y tecnología.

Tendencias de desarrollo :

Incrementar la capacidad de información de las líneas de comunicación.

Aumentar la velocidad del procesamiento de la información.

Reducir la pérdida y distorsión de señales ópticas.

• Agrawal G. Fibra óptica - M.: Mir, 2010.
• Grodnev I. I. Sistemas optoelectrónicos de transmisión de información. – M.: Conocimiento, 2012
• Remizov A.N. Física: libro de texto. -M.: Avutarda, 2011

El contenido del artículo.

FIBRA ÓPTICA, Tecnología para transmitir luz a través de finos hilos de materiales transparentes. Esta luz se utiliza para transmitir señales electrónicas a largas distancias. En casa o en una oficina, un único haz de fibras del grosor de un cabello humano puede transportar todas las señales necesarias para hacer funcionar televisores, teléfonos y ordenadores. Estos hilos, también llamados fibras ópticas o conductores de luz, suelen estar fabricados de vidrio o plástico.

Las fuentes de luz para líneas de comunicación de fibra óptica (FOCL) son láseres y diodos emisores de luz. Al encender y apagar la luz se codifican bits (es decir, unos y ceros, respectivamente) de información digital. Los repetidores mantienen la intensidad de la señal a lo largo del camino y los receptores la detectan y decodifican en el otro extremo de la línea.

Una fibra óptica consta de un núcleo transmisor de luz y un revestimiento que evita la dispersión de la luz. Las fibras se ensamblan en un cable, que puede contener de 72 a 144 fibras. Las primeras fibras ópticas fueron multimodo, es decir Varias ondas de luz podrían atravesarlos al mismo tiempo. Las fibras multimodo requerían un espaciado bastante frecuente de repetidores para compensar la absorción y dispersión de los rayos de luz a medida que zigzagueaban a lo largo del núcleo. La fibra monomodo de última tecnología tiene un diámetro de núcleo tan pequeño que endereza el camino de un haz individual y reduce en gran medida la pérdida de intensidad de la señal. Los cables de fibra monomodo son capaces de transmitir hasta 1,2 mil millones de bits de datos por segundo y la distancia entre repetidores alcanza los 50 km.

Aplicaciones de la fibra óptica.

Las fibras ópticas se utilizan en instrumentos médicos. Introducidos en el cuerpo del paciente, transmiten una imagen de un órgano o área afectada a una cámara externa, eliminando así la necesidad de un examen mediante métodos quirúrgicos. En los automóviles sirven para suministrar luz desde una fuente común a varios paneles de instrumentos. Las fibras ópticas conectan ordenadores, robots, televisores y teléfonos en muchas fábricas e instituciones.

Sin embargo, dichas fibras no son completamente transparentes para cumplir los requisitos de las líneas de comunicación de fibra óptica. En un cable de este tipo, la luz debe recorrer largas distancias sin ninguna interferencia. Las grietas, la contaminación o las burbujas en la fibra hacen que el haz fino sea absorbido o reflejado. Ya se ha conseguido reducir las pérdidas de transmisión en las fibras a menos del 10% por kilómetro.

Las fibras ópticas utilizadas para telecomunicaciones deben soldarse de manera que las costuras sean mínimas. Los generadores de luz deben conectarse a los extremos de la fibra con muy alta precisión. Para ello se han desarrollado láseres y LED que no miden más que un grano de sal de mesa. Los cables de fibra óptica para servicio telefónico a largas distancias operan en EE.UU., Japón y Europa Occidental. Desde 1990 está en funcionamiento una red de cables de fibra transoceánicos que unen América del Norte con Europa y Asia. ver también