Fibră optică proiect

O fibră optică este un ghid de undă dielectric cilindric realizat din materiale cu pierderi mici cum este sticla de siliciu SiO2. Fibra optică are un miez central (de rază a) în care se propagă lumina (Figura 1.1). Miezul este înconjurat de un strat cu indice de refractţie mai mic decât al miezului (de rază b). Într-o astfel de fibră optică lumina poate fi ghidată cu pierderi foarte mici de doar 0, 16dB (≈ 3,6%).

Fig.1.1 Reprezentarea schematică a unei fibre optice

Dacă diametrul miezului este mic atunci în fibra optică se poate propaga doar un singur mod (fibra se va numi fibră optică monomod). Pe măsură ce diametrul fibrei se măreşte se pot propaga din ce în ce mai multe moduri (fibră optică multimod).

Propagarea undelor în fibrele optice multimod presupune existenţa unor diferenţe între vitezele de grup ale diferitelor moduri. Acest lucru duce la lărgirea pulsurilor pe măsură ce unda traversează fibra (efect numit dispersie modală) ceea ce limitează viteza de transmisie a comunicaţiilor pe fibra optică.

Dispersia modală poate fi redusă prin utilizarea fibrelor optice cu gradient de indice de refracţie astfel încât are o valoare maximă în centrul miezului şi este minim la margine (Figura 1.2).

Fig. 1.2 (a) Fibră optică multimod cu salt de indice de refracţie; (b) fibră optică monomod; (c) fibră optică cu gradient de indice de refracţie

1.2 Fibre optice cu salt de indice de refracţie

Astăzi fibrele cu salt de indice de refracţie se produc în geometrii standard pentru care raportul dintre diametrul miezului şi a stratului exterior 2a/2b poate fi: 8/125, 50/125, 62.5/125, 85/125, 100/140 (valorile sunt trecute în mm). Indicii de refracţie pentru miez n1 şi pentru înveliş¸ n2 au valori apropiate astfel încât variaţia relativă a acestor indici:

(1.1)

Fibrele optice cu salt de indice de refracţie sunt realizate din sticlă de siliciu SiO2

de puritate mare şi variaţia indicelui de refracţie se realizează prin doparea sticlei cu Ti, Ge, boron cu diferite concentraţii. Astfel: n1 = 1, 44 ÷ 1, 46 funcţie de lungimea de undă folosită şi Δ = 0, 001 ÷ 0, 002.

Raze ghidate

Condiţia de reflexie totală îın fibra optică θ > l = sin-1( n2/n1) pentru unghiuri de incidenţă sau θ < θc < cos-1( n1/n2) pentru unghiurile complementare. Razele care se propagă într-un plan meridional (plan care conţine axa fibrei) rămân incluse în acest plan fără schimbarea unghiului de incidenţă (Figura 1.3) şi cum n1≈ n2 rezultă că θc are o valoare foarte mică încât toate razele ghidate de către fibră în plan meridional sunt aproximativ paraxiale.

Fig. 1.3 Reflexia totală a

unei raze din planul meridional

O rază înclinată este identificată, poate fi descrisă prin planul de incidenţă (paralel cu axa fibrei) care conţine raza şi unghiul pe care îl face raza cu axa. Planul de incidenţă intersectează marginile cilindrice dintre miez şi înveliş sub un unghi Φ cu normala la suprafaţa de mărginire, la o distanţă R faţă de axa fibrei. Raza este identificată şi de unghiul Φ cu axa fibrei. Când Φ≠0 (R ≠ 0) raza se numeşte îınclinată spre deosebire de raza meridională pentru care Φ=0 şi R=0.

O rază înclinată se reflectă repetat în planele care fac unghiul Φ cu suprafaţa de separaţie miez-îınveliş şi urmează o traiectorie tip elice restrânsă într-o pătură cilindrică de rază internă R şi externă a (Figura 1.4). Proiecţia traiectoriei în planul (x - y) este un poligon regulat, nu neapărat îınchis. Se poate arăta că această rază se reflectă total dacă θ (unghiul format de rază cu axa z este mai mic decât θc)

Fig. 1. 4 Propagarea unei raze înclinate într-o fibră optică

Apertura numerică

O rază incidentă pătrunde din aer într-o fibră optică sub un unghi θa faţă de normala la planul de incidenţă. Se pune problema de a calcula cât de mare trebuie să fie unghiul θa astfel încât raza refractată să fie reflectată total în interiorul fibrei.