Özet: Fiber optik ve uygulamaları. Fiber optik amplifikatörler ve lazerler

Optik

Optik Optik. 1 Bu bilimin içeriği. – O., ışık olaylarıyla ilgilenen bir fizik bölümüdür; a) geometrik O., b) fiziksel O. ve c) fizyolojik O. Geometrik O.'nun temeli deneyimlerden oluşur.

Fiber optik

Optik

FİBER OPTİK, optik fiberlerin dağılımının incelendiği bir optik dalıdır.

optik fiberler (FO) boyunca ve bundan kaynaklanan olaylar.

V. o. 50'li yıllarda ortaya çıktı. 20. yüzyıl Gelişimin ilk 20 yılında V. o. kullanılmış Ch. varış. yaklaşık birkaç uzunlukta teller (düzenli ve düzensiz döşeme ile). m.Bu tür uçakların üretimi için malzeme çok bileşenli optik fiberlerdi.

bardak; Spektrumun görünür bölgesindeki ışık kılavuzlarının geçirgenliği 1 m uzunluğunda Düşük katsayılı olarak %30-70 idi. iletim, yüksek yabancı madde konsantrasyonu nedeniyle camdaki ışığın zayıflamasından kaynaklanmaktadır. Işık kılavuzlarının sayısal açıklığı 0,5-1'dir. Naib. Işık kılavuzu demetleri, ulaşılması zor nesnelerin aydınlatılmasında ve özellikle teknoloji alanında enstrüman yapımında görüntülerin iletilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. ve tıbbi endoskopi. 70'lerde 20. yüzyıl yeniden doğuş gerçekleşti V. o., güneş optikli kuvars camına dayalı olarak geliştirildiğinde. spektrumun IR'ye yakın bölgesinde ~1 dB/km kayıplar. (Bu tür ışık kılavuzlarının iletimi, birkaç km'lik bir ışık kılavuzu uzunluğu için ~%50'dir.) Bu ışık kılavuzları, uzun menzilli sistemlerde kullanılır. optik iletişim

, yerleşik iletişim sistemlerinde, telemetrik iletim sistemlerinde. çeşitli sensörlerde bilgi. fiziksel alanlar (manyetik alanlar, sıcaklık, dönüş, akustik dalgalar), vb. En basit haliyle bir fiber ışık kılavuzu, kırılma indeksi olan, oldukça şeffaf malzemeden yapılmış bir çekirdeğe sahip, uzun, esnek bir ipliktir. n 1 En basit haliyle bir fiber ışık kılavuzu, kırılma indeksi olan, oldukça şeffaf malzemeden yapılmış bir çekirdeğe sahip, uzun, esnek bir ipliktir. kırılma indisine sahip bir kabuk ile çevrelenmiştir

Pirinç. 1. Fiberler için kesit ve kesitsel kırılma indisi profili: a - çok modlu kademeli; b - tek modlu; V- çok modlu gradyan.

Işığın güneş boyunca yayılması tam bir iç yapıdan kaynaklanmaktadır. çekirdek-kabuk arayüzünde. Çekirdek kaplama sınırına belli bir açıyla gelen ışınlar

tam dahili deneyimi yaşayın yansıma, ışığın ışık kılavuzu boyunca zikzak yayılmasına yol açar (Şekil 2). Bu durumda ışının ışık kılavuzunun ucundaki geliş açısı;

Pirinç. 2. Kademeli kırılma indisi profiline sahip çok modlu bir fiberdeki ışınların yörüngesi.

Çekirdek kaplama arayüzüne belirli bir açıyla gelen meridyen ışınları (Şekil 2'de kesikli çizgi), kısmen arayüzde yansıtılır ve kabuk içinde kırılır ve dışarıdan emilir. emici kaplama. Dolayısıyla açı, güneşin ışığı yakalama yeteneğinin bir ölçüsüdür ve bu açının sinüsü denir. sayısal açıklık BC. .

Işın yaklaşımı temel yaklaşımı doğru bir şekilde yansıtır Çok modlu AF'de ışık yayılımının özellikleri (ışığın dalga boyu). Bununla birlikte, ışığın güneş boyunca yayılmasının tam bir resmi, dalga teorisi tarafından verilmektedir ve bu, yalnızca ayrı modların onun boyunca yayılmasına izin vermektedir.

Işığın güneş boyunca yayılmasını analiz ederken, zayıf yönlendirilmiş modların yaklaşımı yaygın olarak kullanılır. Bu yaklaşımda, yönlendirilmiş modların alanları pratik olarak doğrusal olarak polarize edilir ve tüm alan bileşenleri, elektrik vektörünün bir baskın enine bileşeninin türevleri olarak elde edilebilir. alanlar, kenarlar iz olarak ifade edilir. yol: Burada A - devamlı; zamana bağımlılık göz ardı edildi; - Bessel fonksiyonu ve Macdonald mertebe fonksiyonu - sınır değeri probleminin çözümünden belirlenen kılavuzlu modların yayılma sabiti (aralıkta yalnızca ayrık değerler alabilir) ); z - uçağın eksenine denk gelen yayılma yönü;

- güneşin çekirdeğindeki enine dalga sayısı; =- uçak kabuğundaki enine; -boş uzaydaki dalga sayısı.

Boyut denir ışık kılavuzunun karakteristik parametresi ve mod sayısını belirler

Fiber ışık kılavuzundaki kayıplar.

Optik zayıflama Görünür ve IR'ye yakın dalga boyu aralıklarında, yani kuvars camların maksimum olduğu spektral bölgelerde cam güneşteki sinyal. Fundam olarak tanımlanan şeffaflık.

ışığın camlarda emilmesi ve saçılmasının yanı sıra yabancı maddeler ve yapısal kusurlar tarafından saçılma ve emilim mekanizmaları. 1 Fonlara. optik mekanizmalar Kuvars camlardaki kayıplar şunları içerir: elektronik geçişlere bağlı emilim (=0,8 mikronda 1 dB/km'yi aşmaz); Kafes titreşimlerinin neden olduğu IR emilimi yaratıkları oynamaya başlar. rol (emilim, yani dB/km'den fazla) yalnızca 1,8 µm; Rayleigh, camın bileşimi ve yoğunluğundaki homojensizliklere göre daha küçüktür (= 0,8 mikronda birkaç dB/km'yi aşmaz). Böylece maks. Kuvars cam bazlı güneş gözlüklerinin şeffaflığı 0,8-1,8 mikron aralığındadır. Şek. Şekil 3, Ge katkılı kuvars camı için temel mekanizmaların neden olduğu optik kayıpların a spektral bağımlılığını göstermektedir. - ; 3 Pirinç. 3. Germanyum katkılı kuvars camındaki optik kayıpların spektral bağımlılığı: 4 - elektronik geçişlerden kaynaklanan emilim;

S

- kafes titreşimleri nedeniyle emilim;

Güneşin malzeme dağılımı, ışık kılavuzunun yapıldığı malzemenin kırılma indisine bağlı olarak belirlenir. Bu durumda modun grup hızı ışığın frekansına bağlıdır ve optik Darbenin her zaman sınırlı bir spektral genişliği vardır ve darbe, fiber boyunca yayıldıkça genişler. Uzun bir fiber boyunca yayılma sırasında malzeme dağılımına bağlı olarak darbe genişlemesi L

eşittir

Kuvars çekirdekli bir optik fiber boyunca yayıldığında, =0,8 μm dalga boyunda çalışan ve bağıl bir değere sahip olan GaAlAs bazlı bir LED'den gelen bir darbenin genişlemesi spektral genişlik =0,04 =4 ns/km'dir. Taşıyıcı radyasyon 1,3 μm yakınındaki spektral bölgede seçilirse malzeme dağılımı nedeniyle darbe genişlemesi keskin bir şekilde azalır, çünkü bu bölgede kuvars camlar için değer

Dalga kılavuzu dispersiyonu, belirli bir modun grup hızının Dalga kılavuzu dispersiyonuna bağımlılığıyla ilgilidir ve malzeme dispersiyonunun değeriyle karşılaştırıldığında genellikle ihmal edilebilir düzeydedir.<<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.

Katkılı kuvars camdan yapılmış bir AF'de, malzeme dağılımının dalga kılavuzu dağılımına büyüklük olarak eşit olduğu ve ondan işaret olarak farklı olduğu bölgeler vardır. 1,2 aralığında yer alan bu alanlarda Optik fiberlerde doğrusal olmayan süreçler . Cam elyafın çekirdek malzemesinin izotropisinden dolayı, alan açısından polarizasyonun genişlemesindeki en düşük doğrusal olmayan terim kübiktir, yani. doğrusal olmayan polarizasyon . Kübik alınganlık doğrusal olmayan kırılma indisi ile ilgilidir n nl . Kübik alınganlık doğrusal olmayan kırılma indisi ile ilgilidir izlemek. oran: Büyüklük . Kübik alınganlık doğrusal olmayan kırılma indisi ile ilgilidir kaynaşmış kuvars küçüktür: ~ 10 -13 CGSE birimlerinde. Ancak çekirdek çapındaki azalma (~10 μm'ye kadar) ve düşük optik BC kayıpları yüksek optik yoğunluğun korunmasını mümkün kılar. 1 km'den daha uzun fiber uzunluklarında radyasyon (~10 10 W/cm2) vardır ve bu nedenle BC'de ayrışmayı gözlemlemek kolaydır. Doğrusal olmayan fenomenler. Örneğin zorunlu kombinasyonun 1. Stokes bileşeni. ışık saçılımı (BKP, bkz. Uyarılmış ışık saçılımı

) birkaç pompa gücünde gözlenir. yüzlerce mW. Kombinasyon spektrumu

Uçağın optik açıdan temel avantajı iletişim, düşük fiber optikte devasa bir geniş banttır. kayıplar.<1 дБ/км. Волоконная связь отличается также невосприимчивостью к эл--магн. помехам, малым объёмом и весом линий передач; помогает экономить дефицитные цветные металлы.

Örneğin, sıfır malzeme dağılımı (1,3 μm) bölgesindeki cam elyaflar, ~100 GHz * km bant genişliğine sahip sinyallerin kayıplarla iletilmesine izin verir

Başlangıca 80'ler bir fiber optik eleman tabanı oluşturulmuştur. Gerçek koşullarda geliştirilmiş ve test edilmiş birinci nesil iletişim sistemleri. sistemler. Bu sistemler telefon ağlarında, kablolu televizyonda, araç içi iletişimde ve bilgisayarlarda kullanılır. teknoloji, kontrol ve yönetim sistemleri teknolojisi. süreçler ve güçlü enerji santralleri.

Kaynak: Weinberg V.B., Sattarov D.K., Optik ışık kılavuzları, 2. baskı, L., 1877; Kapani N.S., Fiber optik, çev. İngilizce'den, M., 1969; Tiedeken R., Fiber optik ve uygulaması, çev.

İngilizce'den, M., 1975; Devyatykh G.G., Dianov E.M., Düşük optik kayıplı fiber ışık kılavuzları, "Vestn. AN SSSR", 1981, M 10, s. 54; Midwinter J.E., Bilgi iletimi için fiber ışık kılavuzları, çev. İngilizce'den, M., 1983;

Dianov E.M., Prokhorov A.M., Lazerler ve fiber optik, UFN, 1986, cilt 148, s. 289.

“Toplam iç yansıma” dersi sunumu

MAOU Lisesi No. 14 öğretmenleri Ermakova T.V.

2014

• Fiber optik

• Işığın yayılmasını ve ışık kılavuzları boyunca bilginin iletilmesini inceleyen bir optik dalıdır. Bu, modern lazer fiziğinin en hızlı büyüyen alanlarından biridir.

• Fiber optikte kullanılan ışığın iletim prensibi ilk kez Kraliçe Victoria (1837-1901) döneminde ortaya konmuştur. Narinder Kapani(10/12/1926) - fiber optiğin kurucularından biri

• Modern fiber teknolojisinin gelişimi 1966 yılında iki Japon bilim adamının Kao ve Hokemaışık sinyalini iletmek için uzun cam elyafların kullanılması önerildi.

• 1970 yılında şirket"Köşe Camı" ilk olarak ışık sinyalini iletmeye uygun bir ışık kılavuzu geliştirdi.
• Optik fiber yapılmış bir dielektrik dalga kılavuzudur
• kuvars camÇekirdek

• Işık ışınlarının optik fiberlerde yayılması

Fiber optik iletişim, farklı kırılma indislerine sahip dielektrikler arasındaki arayüzde elektromanyetik dalgaların toplam iç yansıması olgusuna dayanmaktadır.

Işık kılavuzu, fiberden daha düşük kırılma indisine sahip şeffaf malzemeden bir kılıfla kaplanmış silindirik bir cam fiberdir. Çoklu toplam yansıma nedeniyle ışık herhangi bir yola (düz veya kavisli) yönlendirilebilir. Lifler demetler halinde toplanır. Bu durumda, fiberlerin her biri görüntünün bir kısmını iletir.

Bir ışık ışınının dalga kılavuzunda yayılması

Sinyalleri iletmek için iki tür fiber kullanılır: tek modlu SMF ve çok modlu MMF.

İlk optik fiberler çok modluydu, yani. İçlerinden aynı anda birkaç ışık dalgası geçebilir.

En son teknolojiye sahip tek modlu fiber, o kadar küçük bir çekirdek çapına sahiptir ki, bireysel bir ışının yolunu düzeltmenize ve sinyal yoğunluğu kayıplarını büyük ölçüde azaltmanıza olanak tanır

Bir fiber iletebilir aynı anda

10 milyon telefon konuşmaları ve milyon video sinyalleri. Işık dalgaları tek bir fiberde bağımsız olarak yayılabileceğinden, bilginin aynı anda iki yönde iletilmesiyle veri aktarım hızı artırılabilir. Ek olarak, iki farklı polarizasyona sahip ışık sinyalleri bir optik fiberde yayılabilir ve bu da optik iletişim kanalının veriminin iki katına çıkmasına olanak tanır.

Fiber optik yöntemleri kullanılır:

• tıbbi cihazlarda (nazofarenks, mide vb. aydınlatılması);
• yüksek hızlı çekimlerde;
• nükleer fizikte (nükleer parçacıkların izlerinin kaydı);
• optik iletişimde;
• fototelgraf ve telemetride (kod dönüştürücüler ve şifreleme cihazları);
• Bilgisayar bilimi, akustik vb. alanlarda

Fiber optik kullanan önemli cihazlardan biri de iki yönlü iletişim için kullanılan fiber optik telefondur.

• Fiber optik, metal kabloya göre çok daha yüksek bant genişliğine sahiptir. Yani daha fazla veri taşıyabilir.
• Fiber optik kablo, metal kabloya göre parazitlere karşı daha az duyarlıdır ve metal kablodan çok daha ince ve hafiftir.
• Veriler analog yerine dijital olarak iletilebilir.
• Optik fiberin önemli bir özelliği dayanıklılıktır.

• Fiber optiğin ana dezavantajı, fiber optik kablonun tüm kablo türleri arasında en pahalı olmasıdır.
• Fiber optik kablo çok kırılgan olduğundan kurulumu çok zorlaştırır.

Doğada optik fiber

Araştırmacılar yakın zamanda Euplectellas cinsinin derin deniz süngerlerinin vücutlarında yüksek kaliteli optik fiberler keşfettiler.

Çözüm

Fiber optik iletişim sistemleri maksimum bilgi aktarım hızı sağlar.

Optik, elektronik, malzeme bilimi ve teknolojisindeki en son gelişmeleri içerirler.

Gelişim eğilimleri :

İletişim hatlarının bilgi kapasitesinin artırılması

Bilgi işleme hızını arttırmak

Optik sinyallerin kaybını ve bozulmasını azaltın

• Agrawal G. Fiber optik - M .: Mir, 2010.
• Grodnev I. I. Optoelektronik bilgi iletim sistemleri. – M.: Bilgi, 2012
• Remizov A.N. Fizik: ders kitabı. -M.: Bustard, 2011

Makalenin içeriği

FİBER OPTİK,ışığın şeffaf malzemelerden yapılmış ince iplikler aracılığıyla iletilmesi teknolojisi. Bu ışık, elektronik sinyallerin uzun mesafelere iletilmesi için kullanılır. Evde veya ofiste, insan saçı kalınlığındaki tek bir fiber demet, televizyonları, telefonları ve bilgisayarları çalıştırmak için gereken tüm sinyalleri taşıyabilir. Optik fiberler veya ışık kılavuzları olarak da adlandırılan bu tür iplikler genellikle cam veya plastikten yapılır.

Fiber optik iletişim hatları (FOCL) için ışık kaynakları lazerler ve ışık yayan diyotlardır. Işığı açmak ve kapatmak, dijital bilginin bitlerini (yani sırasıyla birler ve sıfırlar) kodlar. Tekrarlayıcılar yol boyunca sinyal gücünü korur ve alıcılar onu hattın diğer ucunda algılar ve kodunu çözer.

Bir optik fiber, ışığı ileten bir çekirdek ve ışığın saçılmasını önleyen bir kaplamadan oluşur. Fiberler, 72 ila 144 fiber içerebilen bir kablo halinde birleştirilir. İlk optik fiberler çok modluydu, yani. İçlerinden aynı anda birkaç ışık dalgası geçebilir. Çok modlu fiberler, çekirdek boyunca zikzak çizen ışık ışınlarının emilimini ve dağılımını telafi etmek için tekrarlayıcıların oldukça sık aralıklarla yerleştirilmesini gerektiriyordu. En son teknoloji olan tek modlu fiberin çekirdek çapı o kadar küçüktür ki, tek bir ışının yolunu düzeltir ve sinyal yoğunluğu kaybını büyük ölçüde azaltır. Tek modlu fiber kablolar saniyede 1,2 milyar bit'e kadar veri iletebilme kapasitesine sahiptir ve tekrarlayıcılar arasındaki mesafe 50 km'ye ulaşmaktadır.

Fiber optik uygulamaları.

Optik fiberler tıbbi cihazlarda kullanılır. Hastanın vücuduna yerleştirilen bu cihazlar, bir organın veya etkilenen bölgenin görüntüsünü harici bir kameraya ileterek cerrahi yöntemlerle inceleme ihtiyacını ortadan kaldırır. Arabalarda ortak bir kaynaktan çeşitli gösterge panellerine ışık sağlamaya yararlar. Optik fiberler birçok fabrika ve kurumdaki bilgisayarları, robotları, televizyonları ve telefonları birbirine bağlar.

Ancak bu tür fiberler, fiber optik iletişim hatlarının gerekliliklerini karşılayacak kadar şeffaf değildir. Böyle bir kabloda ışığın herhangi bir müdahale olmadan uzun mesafeler kat etmesi gerekir. Fiberdeki çatlaklar, kirlenme veya kabarcıklar ince ışının emilmesine veya yansıtılmasına neden olur. Fiberlerdeki iletim kayıplarını kilometre başına %10'un altına indirmek zaten mümkün oldu.

Telekomünikasyon için kullanılan optik fiberler, dikişlerin minimum düzeyde olması için eklenmelidir. Işık jeneratörlerinin fiberin uçlarına çok yüksek hassasiyetle bağlanması gerekiyor. Bu amaçla sofra tuzu tanesinden daha büyük olmayan lazerler ve LED'ler geliştirildi. Uzun mesafelerde telefon hizmeti için fiber optik kablolar ABD, Japonya ve Batı Avrupa'da kullanılmaktadır. Kuzey Amerika'yı hem Avrupa'ya hem de Asya'ya bağlayan okyanus ötesi fiber kablo ağı 1990'dan beri faaliyet gösteriyor. Ayrıca bakınız