Struktura

Mnohovidová vlákna

Mnohovidová vlákna

Jsou vlákna umožňující šíření většího počtu vidů (paprsků). Dělíme je na:

  • vlákna se skokovou změnou indexu lomu

  • vlákna s plynulou změnou indexu lomu (gradientní)

Vlákno se skokovou změnou indexu lomu

Světlo se u těchto vláken šíří pomocí úplného (totálního) odrazu na rozhraní jádro/plášť. Světlo procházející jádrem s větší hustotou než plášť při přechodu na rozhraní jádro/plášť se při splnění podmínky mezního úhlu odráží zpět do jádra.

Princip šíření jednotlivých vidů je patrný z obrázku.

obrazek

Obr. 1: Princip šíření vidů

  • První paprsek vstupuje do vlákna tak, že dopadá na rozhraní jádro/vzduch pod úhlem 30° (menší, než mezní úhel 41,5°, vypočítaný v předchozí kapitole). Dochází zde k lomu a paprsek vystupuje do okolního vzduchu.

  • Úhel dopadu u druhého paprsku (vidu) je 45°; to je více než mezní úhel, paprsek se odráží od protilehlých stěn a šíří se uvnitř vlákna pomocí úplného odrazu.

  • Třetí paprsek má úhel dopadu 60°, při němž dochází k úplnému odrazu.

  • Čtvrtý paprsek je axiální, šíří se přímo ve směru osy vlákna bez odrazů na rozhraní jádro/plášť.

V praxi je vzduch kolem jádra nahrazen druhým sklem s indexem lomu menším než v jádře. Mezní úhel je daný poměrem indexů lomu obou prostředí. Mezní úhel je tím menší, čím více se hodnoty indexů lomu od sebe liší, což vede ke zvětšení rozsahu úhlů, při kterých dochází k úplnému odrazu. To je důležité v případě ohybu vlákna – čím větší bude rozsah úhlů, při kterých dochází k úplnému odrazu, tím více se zvětší úhel možného ohybu vlákna. Situace je zachycena na obrázku.

obrazek

Obr. 2: Chování vidů při ohybu vlákna

Není–li vlákno ohnuto, axiální paprsek prochází přímo. Při ohybu vlákna paprsek dopadá na rozhraní pod určitým úhlem. Pokud je úhel velký (měřeno od kolmice), bude docházet k úplnému odrazu. Zvětší-li se ohyb vlákna, úhel dopadu se zmenší a bude-li menší než úhel mezní, paprsek se bude lomit ven z jádra. Vlákno se skokovou změnou indexu lomu v řezu je zobrazen na obrázku.

obrazek

Obr. 3: Vlákno se skokovou změnou indexu lomu v řezu

Praktické rozměry:

Průměr jádra 50 – 450 µm

Průměr pláště 125 – 500 µm

Průměr primární ochrany 250 – 1000 µm

Číselná (numerická) apertura 0,25 – 0,5

Index lomu jádraasi 1,48

Index lomu obaluasi 1,45

Útlum 3-4 dB/km při vlnové délce 850 nm

Šířka pásma 6 – 25 MHz pro 1 km

Vidová disperze

Vidová disperze je důvodem, proč se vlákna se skokovou změnou indexu lomu nepoužívají v telekomunikacích. Vidová disperze vzniká v důsledku existence různých drah jednotlivých vidů, kterými se světlo vláknem šíří a které mají různou délku. Protože ale mají jednotlivé vidy stejnou rychlost, dorazí na konec vlákna v rozdílném čase. To způsobí rozšíření impulzů u digitálních systémů a fázové posuny u analogových systémů. Přenosové vlastnosti vláken se skokovou změnou indexu lomu jsou vidovou disperzí značně omezeny a prakticky se pro přenos informace nepoužívají.

Vývoj vláknové optiky šel dále dvěma cestami:

  • vývojem vláken, která by vidům s delší dráhou zajistila větší rychlost, a tak eliminovala vidovou disperzi – gradientní vlákna

  • vývojem vláken, u kterých se šíří jediný vid a vidová disperze tak prakticky nevzniká – jednovidová vlákna

Vlákna využívaná k přenosu informace

Mnohovidové vlákno s plynulou změnou indexu lomu.

Špatné přenosové vlastnosti vláken se skokovou změnou indexu lomu vedly k vývoji vláken, která by tuto nevýhodu odstranila.

Vlákna s plynulou změnou indexu lomu – gradientní vlákna mají proměnný index lomu v jádře. Ten se při postupu paprsku od středu jádra k rozhraní jádro/plášť zmenšuje. V jádře tak dochází k nepřetržitému lomu světla – ohybu. Princip ohybu paprsku je vysvětlen na obrázku.

obrazek

Obr. 4: Ohyb paprsku u gradientního vlákna

Paprsek dopadající na rozhraní A bude lomen od kolmice, protože přichází z prostředí opticky hustšího doprostřed méně hustého prostředí. Na rozhraní B a C je paprsek dále lomen a po dopadu na rozhraní D je úhel dopadu tak velký, že překročí mezní úhel a dále dojde k úplnému odrazu; paprsek se pak vrací k jádru.

Co nám to přinese z pohledu vidové disperze?

Vidy jdoucí po delší dráze se dostanou do oblasti s menší hustotou a jejich rychlost je v této části větší. Vidy šířící se po kratší dráze jdou hustějším prostředím, jejich rychlost je tedy menší. Správnou volbou profilu indexu lomu v jádře lze dosáhnout toho, že se jednotlivé vidy neustále potkávají a jejich čas šíření je stejný. Tomuto jevu říkáme samoostřící efekt. Takto upravené vlákno je mnohonásobně vhodnější pro přenos než vlákno se skokovou změnou indexu lomu. Samoostřící efekt je znázorněn na obrázku.

obrazek

Obr. 5: Princip samoostřícího efektu

Mnohobodové vlákno s plynulou změnou indexu lomu je zobrazeno na obrázku.

obrazek

Obr. 6: Gradientní vlákno v řezu

Praktické rozměry:

Průměr jádra 30 – 60 µm

Průměr pláště 100 – 150 µm

Průměr primární ochrany 250 – 1000 µm

Číselná apertura 0,2– 0,3

Index lomu jádra asi 1,48

Index lomu obalu asi 1,45

Útlum 2,5 dB/km při vlnové délce 850 nm, 0,5 dB/km při vlnové délce 1300 nm

Šířka pásma 350-600 MHz pro 1 km

Vlákno s těmito parametry je vhodné pro použití zejména v lokálních sítích (LAN). Prakticky se můžeme setkat se dvěma typy těchto vláken:

        "evropský gradient“

  • průměr jádra 50 µm

  • průměr pláště 125 µm

  • průměr primární ochrany 250 µm

       

         "americký gradient“

  • průměr jádra 62,5 µm

  • průměr pláště 125 µm

  • průměr primární ochrany250 µm

Vlákno umožňuje přenášet stovky megabitů za sekundu (Mbit/s) na vzdálenost až desítky km bez regenerace signálu.

Zdroje

  • KUCHARSKI, Maciej a Pavel Dubský. Měření přenosových parametrů optických vláken, kabelů a tras. 1. vydání Mikrokom Praha 1998
  • STRNAD, Stanislav. Optická vlákna a telekomunikace. 2. vydání Praha 1991, ISBN 80-900721-0-0

Obrázky:

  • Obr. 1: Archiv autora
  • Obr. 2: Archiv autora
  • Obr. 3: Archiv autora
  • Obr. 4  Archiv autora
  • Obr. 5: Archiv autora
  • Obr. 6: Archiv autora
  • Obr. 7: Archiv autora
  • Obr. 8: Archiv autora
 

Obrázek

Content img 3793

Obr. 7: Multimódový (mnohovidový) modu s konektory typu ST. Modul je dvoumetrové vlákno na obou koncích opatřené konektory pro měření a propojování zařízení.

Obrázek

Content img 3808

Obr. 8: Multimódový duální (dvojitý)modul hybridní s konektory ST a Volition.

Logolink