Els cables de fibra òptica i fibra òptica s’utilitzen per transmetre energia i informació lleugera a distàncies curtes o llargues. Durant les últimes dècades, la fibra òptica s’ha combinat amb díodes làser semiconductors i receptors òptics per permetre el ràpid creixement dels sistemes de comunicació de fibra òptica. Una fibra òptica és una guia d'ona dielèctrica de secció circular que consisteix en un nucli, un revestiment concèntric al voltant del nucli i un índex de refracció lleugerament inferior (aproximadament 1%). Les fibres òptiques solen ser de diòxid de silici amb dopants com Geo2, que canvia l’índex de refracció del diòxid de silici. Els cables de fibra òptica encapsulen la fibra en una capa protectora que facilita la manipulació de la fibra, redueix la creu entre les fibres adjacents i impedeix danys a la fibra quan es pressiona contra superfícies rugoses. A més dels avantatges de la transmissió de la llum, el confinament de la llum a una zona petita dins del nucli de fibra ha facilitat el desenvolupament de làsers de fibra i fibres de cristalls fotònics.
Fonaments de la fibra òptica
Fig. 1 Esquema de l’angle crític i TIR (esquerra). La llum irradiada a la interfície de recobriment del nucli en un angle superior a l’angle crític queda atrapat dins del nucli de la fibra (dreta). Relació entre l’angle de recepció (), NA i l’índex de refracció.
La figura 1 mostra la direcció de la llum de l’incident a mesura que es troba la interfície d’un medi de llum lleugera (és a dir, n2
Una fibra òptica és una guia d'ona dielèctrica circular amb un nucli que té un índex de refracció més alt que el revestiment. Com es mostra a la figura 1, si es compleix la condició angular del TIR, la llum es limitarà al nucli. La NA d’una fibra òptica es defineix com el sinus de l’angle màxim d’incidència () de la llum incident de TIR al nucli. Na és una mesura qualitativa de la capacitat d’una fibra òptica per concentrar la llum i també indica el fàcil que és combinar la llum a la fibra. La geometria i la composició d’una fibra òptica determina el conjunt de camps electromagnètics discrets o modes de fibra que es poden propagar a través de la fibra. Els modes entren en dues àmplies categories: modes radiades i realitzades. La llum emesa fora de l’angle especificat de la fibra NA excitarà els modes de radiació.
Aquests modes porten energia fora del nucli i la dissipen ràpidament. La llum emesa dins de la NA de la fibra produeix normalment modes conduïts que es limiten al nucli. Aquests modes propaguen energia al llarg de la fibra, transmetent informació i potència. Si el nucli d’una fibra òptica és prou gran, pot suportar molts modes de conducció alhora, és a dir, la propagació multimode. Quan la llum s’incideix en una fibra òptica, els modes estan entusiasmats fins a diferents graus segons les condicions de l’incident (per exemple, l’angle del con d’entrada, la mida del punt, el centre axial) i poden presentar una gran varietat de distribucions espacials. Igual que els modes transversals d’un làser, els modes d’ordre més baix d’una fibra òptica tenen una distribució espacial gairebé gaussiana i, per tant, tenen molts dels mateixos avantatges. Aquesta és la raó per la qual sovint s’espera que mantingui la transmissió d’un mode únic en fibres òptiques. El paràmetre de freqüència normalitzat d’una fibra (també conegut com a número V) és un paràmetre tècnic molt útil que expressa el nombre de modes a una longitud d’ona determinada basada en la NA de la fibra i el radi del nucli.
Figura 2 Atenuació espectral típica en una fibra de quars (esquerra). A mesura que la llum viatja al llarg de la fibra, la dispersió fa que els polsos de llum individuals s’ampliïn en el domini de temps (a la part superior dreta). Exemple de múltiples polsos que representen un flux de bits d’informació que no es poden reconèixer a causa de la dispersió després de la propagació (a la part inferior dreta).
La potència òptica que es propaga a través d’una fibra òptica decau de forma exponencial amb la longitud de la fibra a causa de les pèrdues d’absorció i dispersió (vegeu la figura 2). L’atenuació és el factor més important en un sistema de comunicació de fibra òptica i afecta directament el nivell de senyal que es pot rebre. A les regions NIR i Vis, la petita pèrdua d’absorció de sílice pura es deu a les cues de les bandes d’absorció en FIR i UV. Les impureses, especialment l’aigua en forma d’ions d’hidròxid, són una font d’absorció més dominant en les fibres òptiques comercials. Les millores recents en la puresa de fibres han reduït la pèrdua d’atenuació a l’ordre de 0. 1 dB/km. La pèrdua de dispersió també pot comportar atenuació en forma de fluctuacions d’índex de refracció petita a la fibra quan la fibra es cura i el diàmetre del nucli i la geometria són irregulars.
L’ample de banda d’una fibra òptica determina la seva taxa de transmissió de dades. El mecanisme que limita l’ample de banda d’una fibra òptica s’anomena dispersió. La dispersió és l’ampliació de polsos de llum que es produeixen a mesura que es propaguen al llarg de la fibra. El resultat és que un pols s’estén en un altre i la informació es fa indistinguible (vegeu la figura 2).
La dispersió limita l'amplada de banda i la distància sobre la qual es pot transmetre informació. Hi ha dos tipus principals de dispersió: dispersió intra-modal i dispersió inter-modal. Hi ha dos tipus diferents de dispersió intra-modal: dispersió cromàtica i dispersió del mode de polarització. La dispersió cromàtica és simplement el resultat de l’índex de refracció d’un material que canvia amb la longitud d’ona. La dispersió del mode de polarització es deu a modes de polarització ortogonals que viatgen a diferents velocitats de la fibra com a resultat de la birefringència. La dispersió intermodal es produeix perquè diferents modes de propagació viatgen a diferents velocitats. Per tant, la dispersió intermodal només s'aplica a les fibres multimode.
Figura 3 Control de polarització en una fibra òptica desencadenada mitjançant la presa de la fibra des de diferents direccions.
Les fibres d’un sol mode donen suport a modes de dos modes polaritzats ortogonalment. Això és una conseqüència de l’asimetria de la secció transversal del nucli de fibra. Típicament, les tensions externes són aleatòries i la birefringència induïda resultant ajuda a molestar o aleatoritzar els estats de polarització. Les fibres especialitzades, anomenades fibres que conserven biaixos, produeixen un patró de birefringència consistent sobre la seva longitud. Això s’aconsegueix optimitzant la geometria de la fibra i els materials que produeixen una gran quantitat d’estrès en una direcció. Aquesta gran birefringència induïda domina en comparació amb la birefringència aleatòria, permetent mantenir l’estat de polarització durant la propagació dins de la fibra. Controlar l’estat de polarització en una fibra òptica és anàleg al control d’espai lliure aplicant una placa d’ona que fa que canviï la fase de dos estats de polarització ortogonals. Això s’aconsegueix mitjançant la birefringència induïda per l’estrès de la fibra, cosa que provoca un retard, donant lloc a una placa d’ona basada en guies d’ona. A la figura 3 es mostra un dispositiu de polarització similar, que inclou un ramador de fibra que gira al voltant de la fibra. Aplicar pressió a la fibra òptica produeix birefringència lineal, formant efectivament una guia d'ona de fibra òptica amb un retard que varia amb la pressió.
