Fibra optică este o fibră de sticlă sau plastic care transportă lumină de-a lungul său. Fibrele optice sunt folosite pe scară largă în domeniul telecomunicaţiilor, unde permit transmisii pe distanţe mai mari şi la lărgimi de bandă mai mari decât alte medii de comunicaţie. Fibrele sunt utilizate în locul cablurilor de metal deoarece semnalul este transmis cu pierderi mai mici, şi deoarece sunt imune la interferenţe electromagnetice. Fibrele optice sunt utilizate şi pentru iluminat şi transportă imagine, permiţând astfel vizualizarea în zone înguste. Unele fibre optice proiectate special sunt utilizate în diverse alte aplicaţii, inclusiv senzori şi laseri.
Lumina este dirijată prin miezul fibrei optice cu ajutorul reflexiei interne totale. Aceasta face fibra să se comporte ca ghid de undă. Fibrele care suportă mai multe căi de propagare sau moduri transversale se numesc fibre multimodale (MMF), iar cele ce suportă un singur mod sunt fibre monomodale (SMF). Fibrele multimodale au în general un diametru mai mare al miezului şi sunt utilizate în comunicaţii pe distanţe mai scurte şi în aplicaţii în care trebuie transferată multă putere. Fibrele monomodale se utilizează pentru comunicaţii pe distanţe de peste 550 m.
Conectarea fibrelor optice una de alta este mai complexă decât cea a cablurilor electrice. Capetele fibrei trebuie să fie atent tăiate, şi apoi unite fie mecanic fie prin sudare cu arc electric. Se utilizează conectori speciali pentru conexiuni ce pot fi înlăturate.
Istoric
Daniel Colladon a fost primul care a descris această „fântână de lumină” sau „conductă de lumină” într-un articol din 1842 intitulat Despre reflexiile unei raze de lumină în interiorul unui flux parabolic de lichid. Această ilustraţie provine dintr-un articol ulterior al lui Colladon, din 1884.Tehnologia fibrelor optice, deşi devenită omniprezentă doar în lumea modernă, este una simplă şi relativ veche. Ghidarea luminii prin reflexii repetate, principiul care stă la baza fibrelor optice, a fost demonstrat pentru prima oară de Daniel Colladon şi Jacques Babinet la Paris la începutul anilor 1840. John Tyndall a inclus o demonstraţie a acesteia în cursurile sale publice de la Londra un deceniu mai târziu.[1] Tyndall a scris şi despre proprietatea de reflexie internă totală într-o carte introductivă despre natura luminii, în 1870: „Când lumina trece din aer în apă, raza refractată este întoarsă înspre perpendiculară… Când raza trece din apă în aer, ea este întoarsă dinspre perpendiculară… Dacă unghiul făcut de raza din apă cu perpendiculara la suprafaţă este mai mare de 48 de grade, raza nu va mai ieşi deloc din apă: ea va fi totalmente reflectată la suprafaţă…. Unghiul ce marchează limita la care reflexia totală începe se numeşte unghi limită al mediului. Pentru apă, acest unghi este de 48°27′, pentru sticlă flint, este de 38°41′, iar pentru diamant, este de 23°42′.”[2][3]
Aplicaţiile practice, cum ar fi iluminarea de aproape în stomatologie, au apărut la începutul secolului al XX-lea. Transmisia imaginii prin tuburi a fost demonstrată independent de Clarence Hansell şi de pionierul televiziunii John Logie Baird în anii 1920. Principiul a fost utilizat pentru examinări medicale interne de Heinrich Lamm în deceniul imediat următor. În 1952, fizicianul Narinder Singh Kapany a efectuat experimente ce au condus la inventarea fibrei optice. Fibra optică modernă, în care fibra de sticlă este învelită cu un strat transparent pentru a-i oferi un indice de refracţie mai potrivit, a apărut în acelaşi deceniu.[1] Dezvoltarea s-a concentrat apoi pe transmiterea de imagini prin snopuri de fibră. Primul gastroscop semiflexibil cu fibră optică a fost patentat de Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters, şi Lawrence E. Curtiss, cercetători de la Universitatea Michigan, în 1956. În procesul de dezvoltare a gastroscopului, Curtiss a produs primele fibre învelite în sticlă; fibrele optice anterioare se bazau pe aer sau pe uleiuri şi diverse tipuri de ceară ca material de învelire cu indice de refracţie mic.
Jun-ichi Nishizawa, un om de ştiinţă japonez de la Universitatea Tohoku, a fost primul care a propus utilizarea fibrei optice în telecomunicaţii în 1963.[4] Nishizawa a inventat alte tehnologii ce au contribuit la dezvoltarea comunicaţiilor prin fibră optică.[5] Nishizawa a inventat fibra optică cu indice de refracţie gradat în 1964 pentru a servi drept canal de transmisie a luminii de la laserii cu semiconductor pe distanţe lungi cu pierderi mici.[6]
În 1965, Charles K. Kao şi George A. Hockham de la compania britanică Standard Telephones and Cables (STC) au fost primii care au promovat ideea că atenuarea în fibra optică poate fi redusă sub pragul de 20 decibeli pe kilometru (dB/km), permiţând utilizarea fibrelor optice ca mediu practic de telecomunicaţii.[7] Ei au arătat că atenuarea din fibra optică disponibilă la acea vreme este cauzată de impurităţi care pot fi înlăturate, şi nu de fenomene fizice fundamentale, cum ar fi împrăştierea. Această descoperire i-a adus lui Kao Premiul Nobel pentru Fizică în 2009.[8]
Nivelul crucial de atenuare de 20 dB/km a fost atins pentru prima oară în 1970, de cercetătorii Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter C. Schultz şi Frank Zimar de la fabricantul american de sticlă Corning Glass Works, denumit astăzi Corning Incorporated. Ei au realizat o fibră cu atenuare de 17 dB/km prin doparea sticlei de silicat cu titan. Câţiva ani mai târziu, ei au produs o fibră cu doar 4 dB/km atenuare cu dioxid de germaniu ca dopant pentru miez. Asemenea atenuări mici au deschis calea comunicaţiilor prin fibră optică şi Internetului. În 1981, General Electric a produs longouri de cuarţ ce putea fi tras în fire de fibră optică de 40 km lungime.[9]
Atenuarea din cablurile moderne de fibră optică este cu mult mai mică decât în cablurile electrice de cupru, ducând la conexiuni de fibră optică cu distanţe între repetoare de 70–150 km. Amplificatorul de fibră optică dopată cu erbiu, care a redus costul sistemelor de comunicaţii prin fibră optică pe distanţe mari prin reducerea şi, în multe cazuri, eliminarea totală a necesităţii repetoarelor optic-electric-optic, a fost dezvoltată de mai multe echipe conduse de David N. Payne de la Universitatea Southampton, şi de Emmanuel Desurvire de la Laboratoarele Bell în 1986. Fibra optică mai robustă folosită astăzi se are atât miezul cât şi teaca din sticlă, suferind astfel mai puţin de pe urma trecerii timpului. Ea a fost inventată de Gerhard Bernsee în 1973 la Schott AG în Germania.[10]
În 1991, studiile în domeniul cristalelor fotonice a dus la dezvoltarea fibrei optice cu cristal fotonic[11] care ghidează lumina prin difracţie într-o structură periodică, şi nu prin reflexie internă totală. Prima fibră din cristal fotonic a devenit disponibilă pe piaţă în 2000.[12] Fibra din cristal fotonic poate fi proiectată să transfere putere mai multă decât fibra convenţională, iar proprietăţile dependente de lungimea de undă pot fi manipulate pentru a îmbunătăţi performanţele fibrei în anumite aplicaţii.
Aplicaţii
Telecomunicaţii prin fibră optică
Fibra optică poate fi utilizată ca mediu de telecomunicaţii şi reţele deoarece este flexibilă şi poate fi strânsă în cabluri. Este deosebit de avantajoasă pentru comunicaţii pe distanţe mari, deoarece lumina se propagă prin fibră cu atenuare mică în comparaţie cu cablurile electrice. Aceasta permite acoperirea de distanţe mari cu doar câteva repetoare. În plus, semnalele luminoase propagate în fibră pe fiecare canal pot fi modulate la viteze de până la 111 gigabiţi pe secundă.[13] Fiecare fibră poate transmite mai multe canale independente, fiecare folosind o altă lungime de undă a luminii (multiplexare cu diviziune a lungimii de undă). Rata de transfer netă (fără octeţi de overhead) este rata de transfer efectiv de date înmulţită cu numărul de canale (de regulă în număr de până la 80 pentru sistemele cu multiplexare densă în lungimea de undă la nivelul anului 2008). Recordul de transmisie prin fibră optică în laborator este deţinut de Laboratoarele Bell Labs din Villarceaux, Franţa, cu multiplexarea a 155 canale, fiecare de câte 100 Gbps pe o fibră de 7000 km.[14].
Pe distanţe scurte, cum ar fi reţeaua unei clădiri, fibra optică economiseşte spaţiu în conductele de cablu deoarece o singură fibră poate transporta mai multe date decât un singur cablu electric. Fibra este imună şi la interferenţele electrice; nu există cross-talk între semnalele de pe cabluri diferite şi fibra optică nu culege zgomote electromagnetice din mediu. Cablurile de fibră optică nu conduc electricitate, aceasta fiind o bună soluţie pentru protejarea echipamentelor de comunicaţii aflate în medii de înaltă tensiune cum ar fi centralele electrice, sau structurile metalice de comunicaţii vulnerabile la trăsnet. Ele pot fi utilizate şi în medii în care sunt prezente gaze inflamabile, fără pericol de explozie. Interceptarea comunicaţiilor este mai dificilă prin comparaţie cu conexiunile electrice, şi există fibre cu miez dublu concentric care fac interceptarea şi mai dificilă.
Desi fibra optică se poate face din plastic transparent, sticlă, sau o combinaţie de cele două, fibrele optice utilizate în telecomunicaţii pe distanţe mari sunt întotdeauna din sticlă, din cauza atenuării optice mai mici. Atât fibrele multimodale cât şi cele monomodale sunt utilizate în telecomunicaţii, cea multimodală fiind folosită pentru distanţe mici, de până la 550 m, iar cea monomodală la legături pe distanţe mari. Din cauza toleranţelor mai mici necesare pentru cuplarea luminii între fibrele monomodale (cu diametrul miezului de aproximativ 10 micrometri), transmiţătoarele, receptoarele, amplificatoarele şi alte componente monomodale sunt în general mai costisitoare decât cele multimodale.
Senzori cu fibră optică
În unele aplicaţii, se folosesc senzori care sunt ei înşişi fibre optice. În alte cazuri, fibra optică este utilizată pentru a conecta un senzor cu sistemul de măsurare. În funcţie de aplicaţie, fibra optică se poate folosi deoarece este mică, sau pentru că în punctul îndepărtat de măsurare nu există energie electrică, sau pentru că astfel se pot multiplexa mai mulţi senzori pe lungimea unei singure fibre prin folosirea de lungimi de undă diferite pe fiecare senzor, sau prin detectarea întârzierii suferite de lumină la trecerea prin fiecare senzor.
Fibra optică se poate utiliza ca senzor de măsurare a tensiunii, temperaturii, presiunii şi a altor cantităţi prin modificarea fibrei astfel încât cantitatea de măsurat să moduleze intensitatea, faza, polarizarea, lungimea de undă sau durata de trecere a luminii. Senzorii care pot varia intensitatea luminii sunt cei mai simpli, deoarece sunt necesare doar o sursă şi un detector.
Senzorii extrinseci utilizează un cablu de fibră optică, în mod normal multimodal, pentru a transmite lumină modulată fie de la un senzor de alt tip, fie de la un senzor electronic conectat la un transmiţător optic. Un beneficiu major al senzorilor extrinseci este abilitatea lor de a ajunge în locuri altfel inaccesibile. Un exemplu îl constituie măsurarea temperaturii din interiorul motoarelor cu reacţie ale avioanelor cu ajutorul unei fibre care transmite radiaţii într-un pirometru aflat în afara motorului. Senzorii extrinseci pot fi utilizaţi în acelaşi fel pentru a măsura temperatura internă a transformatoarelor electrice, unde câmpurile electromagnetice prezente fac imposibile alte tehnici de măsurare. Senzorii extrinseci măsoară şi vibraţii, rotaţii, deplasări, viteze, acceleraţii, momente ale forţelor şi tensiuni mecanice.
Alte utilizări
Un frisbee iluminat cu fibră opticăFibra optică este folosită şi în iluminat, ca ghid de lumină în aplicaţii medicale şi nu numai, în care este nevoie de lumină puternică pe un punct ascuns. În unele clădiri, fibra optică este utilizată pentru a direcţiona lumina solară de pe acoperiş spre alte părţi ale clădirii. Iluminarea cu fibră optică este folosită şi în aplicaţii decorative, la indicatoare, lucrări de artă şi în pomi de Crăciun artificial. Magazinele Swarovski utilizează fibra optică pentru a ilumina cristalele expuse din mai multe unghiuri cu o singură sursă de lumină.
Un grup coerent de fibre se utilizează, uneori împreună cu lentile, la un dispozitiv lung şi subţire de achiziţionat imagini, numit endoscop, folosit pentru a vedea obiecte printr-o gaură mică. Endoscoapele medicale sunt utilizate pentru proceduri chirurgicale neinvazive (endoscopie). Endoscoapele industriale sunt utilizate la inspectarea unor puncte la care se ajunge greu, cum ar fi interioarele motoarelor cu reacţie.
În spectroscopie, cablurile de fibră optică sunt utilizate pentru a transmite lumina de la un spectrometru la o substanţă ce nu poate fi pusă ea însăşi în spectrometru, pentru a i se analiza compoziţia. Un specrometru analizează substanţele trecând lumină prin ele şi reflectând lumină din ele. Cu fibră optică, un spectrometru poate fi folosit pentru a studia obiecte prea mari pentru a încăpea în el, gaze sau reacţii ce au loc în vase sub presiune.[15][16][17]
O fibră optică dopată cu anumite elemente rare, cum ar fi erbiul se pot folosi ca mediu de amplificare pentru un laser sau amplificator optic. Fibra optică dopată cu elemente rare se poate folosi şi pentru a amplifica semnale prin tăierea unei scurte secţiuni de fibră dopată şi introducerea ei într-o linie de fibră obişnuită. Fibra dopată este pompată optic cu o a doua lungime de undă cuplată la linie. Lumina de ambele lungimi de undă se transmite prin fibra dopată, care transferă energie de la a doua lungime de undă la unda purtătoare de semnal. Procesul care determină amplificarea este emisia stimulată.
Fibrele optice dopate cu un deplasator de lungime de undă folosesc la colectarea luminii de la un scintilator în experimentele de fizică. Fibra optică poate oferi alimentare cu energie (aproximativ un watt) unor dispozitive electronice aflate într-un mediu electric dificil.
Principiul de funcţionare
O fibră optică este un ghid de undă dielectric cilindric ce transmite lumina de-a lungul axei sale, prin procesul de reflexie internă totală. Fibra constă dintr-un miez înconjurat de un strat de substanţă (teacă). Pentru a păstra semnalul optic în miez, indicele de refracţie al miezului trebuie să fie mai mare decât cel al tecii. Limita dintre miez şi teacă poate fi fie abruptă, în fibra cu salt de indice, fie gradat, în fibra cu indice gradat.
Indicele de refracţie
Pentru detalii, vezi: Indice de refracţie.
Indicele de refracţie este o măsură a vitezei luminii printr-un material. Viteza de deplasare a luminii în vid este de 300 de milioane de metri pe secundă. Indicele de refracţie al unui mediu se calculează împărţind viteza luminii în vid la viteza luminii în mediul respectiv. Deci, prin definiţie, indicele de refracţie al vidului este 1. Valoarea tipică pentru teaca unei fibre optice este 1.46. Valoarea miezului este de regulă 1,48. Cu cât este mai mare indicele de refracţie, cu atât mai încet se propagă lumina prin mediu. Semnalul din fibra optică va călători, astfel, cu o viteză de aproximativ 200 de milioane de metri pe secundă, propagându-se astfel la 1000 de kilometri distanţă în decurs de 5 milisecunde. Astfel, un apel telefonic transportat pe fibră optică între Sydney şi New York, pe o distanţă de 12000 kilometri va avea o întârziere minimă absolută de 60 de milisecunde (o şaisprezecime de secundă) între momentul când un interlocutor vorbeşte şi celălalt aude (desigur, ruta urmată de apel nu va fi cea mai scurtă, şi în plus mai apar întârzieri din cauza comutaţiei echipamentului de comunicaţie şi prin procesul de codificare şi decodificare a vocii).
Reflexia internă totală
Când lumina trece printr-un mediu dens şi întâlneşte o limită de demarcaţie cu unghi abrupt (mai mare decât unghiul critic al suprafeţei), lumina va fi reflectată în întregime. Efectul este folosit în fibra optică pentru a păstra lumina în miez. Lumina se deplasează prin fibră reflectându-se de o parte şi de alta a limitei cu teaca. Deoarece lumina trebuie să lovească limita de demarcaţie la un unghi mai mare decât cel critic, doar lumina care intră în fibră într-o anumită gamă de unghiuri poate traversa fibra fără a ieşi din ea. Această gamă de unghiuri se numeşte con de acceptanţă al fibrei. Dimensiunile conului de acceptanţă depind de diferenţa de indice de refracţie între miez şi teacă.
În termeni simpli, există un unghi maxim faţă de axa fibrei sub care lumina poate intra în fibră astfel încât să se propage prin miez. Sinusul acestui unghi maxim este deschiderea numerică a fibrei. Fibra cu deschidere numerică mare necesită mai puţină precizie la tăiere şi la lucru decât cea cu deschidere mică. Fibra monomodală are deschidere numerică mică.
Fibra multimodală
Propagarea luminii prin fibra optică multimodală.
Un laser reflectându-se dintr-un baston de sticlă acrilică, ilustrând reflexia internă totală a luminii într-o fibră optică multimodală.Fibra optică cu diametru mare al miezului (mai mare de 10 micrometri) poate fi analizată cu ajutorul opticii geometrice. Această fibră se numeşte fibră multimod. Într-o fibră optică multimod cu salt de indice, razele de lumină sunt conduse de-a lungul miezului fibrei prin reflexie internă totală. Razele ce ajung la suprafaţa de contact miez-teacă cu unghi mare (relativ la normala la suprafaţă), mai mare decât unghiul critic al acestei suprafeţe, sunt complet reflectate. Unghiul critic (unghiul minim pentru reflexia internă totală) este determinat de diferenţa între indicele de refracţie al miezului şi cel al tecii. Razele care ajung la suprafaţa de separare sub un unghi mic sunt refractate din miez în teacă, şi deci nu transmit lumina (şi deci informaţia) de-a lungul fibrei. Unghiul critic determină unghiul de acceptanţă al fibrei, adesea dat ca apertură numerică. O apertură numerică mare permite luminii să se propage de-a lungul fibrei atât în raze apropiate de ax, cât şi în raze la diferite unghiuri. Această apertură numerică mare creşte, însă, cantitatea de dispersie, întrucât razele la unghiuri diferite au drumuri optice diferite şi parcurg fibra în durate de timp diferite. O apertură numerică mică ar fi, astfel, de dorit.
Tipuri de fibră optică.În fibra cu indice gradat, indicele de refracţie al miezului scade treptat de la ax la teacă. Aceasta face razele de lumină să se „îndoaie” uşor pe măsură ce se apropie de teacă, în loc să se reflecte abrupt la suprafaţa de contact miez-teacă. Drumurile curbate astfel reduc dispersia multicăi deoarece razele cu unghi mare trec mai mult prin zonele periferice ale miezului, cu indice de refracţie mic, şi nu prin centrul cu indice de refracţie mare. Profilul indicelui de refracţie este ales pentru a minimiza diferenţa de viteză de propagare a diverselor raze din fibră. Profilul ideal este foarte apropiat de o relaţie parabolică între indicele de refracţie şi distanţa faţă de ax.
Fibra monomodală
Structura unei fibre optice monomodale tipice.
1. Miez: 8 µm diametru
2. Teacă: 125 µm dia.
3. Tampon: 250 µm dia.
4. Înveliş: 400 µm dia.Fibrele optice cu un diametru al miezului mai mic decât de zece ori lungimea de undă a luminii propagate nu pot fi modelate cu ajutorul opticii geometrice. Trebuie, în schimb, să se analizeze structura sa electromagnetică, prin rezolvarea ecuaţiilor lui Maxwell reduse la ecuaţia undei electromagnetice. Analiza electromagnetică ar putea fi necesară şi pentru a înţelege comportamente ce au loc atunci când lumina coerentă se propagă printr-o fibră multimodală. Ca ghid de undă optică, fibra suportă unul sau mai multe moduri de traversare prin care lumina se poate propaga prin fibră. Fibra ce susţine doar un mod se numeşte fibră monomodală sau monomod. Comportamentul fibrei multimodale poate fi şi el modelat cu ajutorul ecuaţiei undei electromagnetice, ceea ce arată că o astfel de fibră suportă mai multe moduri de propagare. Rezultatul modelării fibrelor multimodale cu optică electromagnetică se apropie de predicţiile opticii geometrice, dacă fibra este suficient de mare şi suportă un număr mare de moduri.
Analiza ghidului de undă arată că energia luminii în fibră nu este complet păstrată în miez. În schimb, mai ales la fibra monomodală, o fracţiune semnificativă de energie se transferă tecii sub formă de unde evanescente.
Cel mai frecvent folosit tip de fibră monomodală are un diametru al miezului de 8–10 micrometri şi este gândit pentru a fi utilizat la lungimi de undă vizibile apropiate de infraroşu. Structura modului depinde de lungimea de undă a luminii folosite, astfel că această fibră suportă de fapt un număr mic de moduri adiţionale la lungimi de undă vizibile. Fibra multimodală, prin comparaţie, este produsă cu diametru al miezului de la 50 micrometri până la câteva sute de micrometri. Frecvenţa normalizată V pentru această fibră ar trebui să fie mai mică decât primul zero al funcţiei Bessel J0 (aproximativ 2,405).
Fibre optice speciale
Se produc şi unele fibre optice speciale cu miez necilindric sau/şi cu teacă necilindrică, de regulă cu secţiune transversală eliptică sau dreptunghiulară. Aceste fibre sunt proiectate astfel pentru a păstra polarizarea luminii, de exemplu.
Fibra din cristal fotonic este realizată cu un şablon regulat de variaţie a indicelui de refracţie (adesea în formă de găuri cilindrice care merg de-a lungul lungimii fibrei). Astfel de fibre folosesc efectele de difracţie în loc de (sau pe lângă) reflexia internă totală, pentru a păstra lumina în miezul fibrei. Proprietăţile fibrei pot fi modificate într-o varietate largă de aplicaţii.
Mecanisme de atenuare
Atenuarea luminii cu ZBLAN şi fibre din silicatAtenuarea în fibra optică, denumită şi pierdere de transmisie, reprezintă reducerea de intensitate a razei de lumină în raport cu distanţa parcursă printr-un mediu de transmisie. Coeficienţii de atenuare utilizează în general ca unitate dB/km din cauza calităţii relativ mari a transparenţei mediilor optice moderne. Mediul este de regulă o fibră din sticlă de silicat care păstrează raza de lumină incidentă în interior. Atenuarea este un factor important de limitare a transmisiei unui semnal pe distanţe mari. Astfel, s-au făcut numeroase cercetări atât pentru limitarea atenuării, cât şi pentru maximizarea amplificării semnalului optic. Atenuarea este cauzată în primul rând de împrăştiere şi absorbţie.
Împrăştierea luminii
Reflexie speculară
Reflexie difuzăPropagarea luminii prin miezul unei fibre optice se bazează pe reflexia internă totală a undei de lumină. Suprafeţele neregulate, chiar şi la nivel molecular, pot reflecta razele de lumină în direcţii aleatoare. Aceasta se numeşte reflexie difuză sau împrăştiere, şi este caracterizată de regulă de o mare varietate de unghiuri de reflexie.
Împrăştierea luminii depinde de lungimea de undă a luminii împrăştiate. Astfel apar limite ale scării de vizibilitate, în funcţie de frecvenţa undei incidente şi de dimensiunea fizică a centrului de împrăştiere, care este de regulă o trăsătură microstructurală specifică. Întrucât lumina vizibilă are o lungime de undă de ordinul sutelor de nanometri şi micronilor, centrele de împrăştiere vor avea dimensiuni similare.
Astfel, atenuarea provine din împrăştierea incoerentă a luminii pe suprafeţele de contact interne. În materiale (poli)cristaline cum ar fi metalele sau ceramica, pe lângă pori, majoritatea suprafeţelor interne sunt de forma limitelor intergranulare care separă regiuni mici de cristal. Dacă dimensiunea centrului de împrăştiere se reduce sub dimensiunea lungimii de undă, împrăştierea nu mai are o amploare semnificativă. Acest fenomen a dat naştere producţiei de materiale ceramice transparente.
Similar, împrăştierea luminii în fibră de sticlă deste cauzată de neregularităţile la nivel molecular ale structurii sticlei. Sticla este văzută de unii fizicieni ca un simplu caz-limită de solid policristalin. În acest context, „domenii” ce prezintă diverse grade de ordine pe scară redusă devin blocurile de construcţie ale metalelor şi aliajelor, precum şi sticlei şi ceramicii. Există defecte microstructurale distribuite printre şi în cadrul acestor domenii, defecte ce furnizează majoritatea punctelor ideale pentru apariţia împrăştierii luminii. Acelaşi fenomen se observă ca factor limitator al transparenţei domurilor de rachete cu infraroşii.[18]
La puteri optice mari, împrăştierea poate fi cauzată şi de procesele optice neliniare din fibră.[19][20]
Absorbţia razelor ultraviolete, vizibile şi infraroşii
Pe lângă împrăştierea luminii, atenuarea poate apărea şi din cauza absorbţiei selective a anumitor lungimi de undă, într-o manieră similară cu cea răspunzătoare pentru apariţia culorilor obiectelor:
1) La nivel electronic, depinde dacă orbitalii electronilor sunt spaţiaţi de aşa natură încât să poată absorbi o cuantă de lumină de o anumită lungime de undă în spectrul ultraviolet sau vizibil. Aceasta dă naştere la proprietatea de culoare.
2) La nivel atomic sau molecular, depinde de frecvenţele de vibraţie moleculară sau de legăturile chimice, de cât de apropiaţi sunt atomii între ei şi moleculele între ele şi dacă atomii sau moleculele prezintă ordine pe scară mare. Aceşti factori vor determina capacitatea materialului de a transmite lungimi de undă mai mari (în spectrul infraroşu, radio şi cel al microundelor).
Designul oricărui dispozitiv transparent impune alegerea materialelor pe baza cunoaşterii proprietăţilor şi limitărilor lor. Caracteristicile de absorbţie ale structurilor cristaline observate în regiunile de joasă frecvenţă (infraroşu mediu spre infraroşu îndepărtat) definesc limita de transparenţă la lungime mare de undă a materialului. Aceste caracteristici sunt rezultatul cuplărilor interactive dintre mişcarea vibraţiilor termice ale atomilor constituenţi şi moleculelor structurii solidului şi radiaţiei luminoase incidente. Astfel, toate materialele sunt limitate de regiuni de absorbţie cauzate de vibraţiile moleculare şi atomice din infraroşul îndepărtat (\lambda;>10 µm).
Modurile normale de vibraţie într-un solid cristalin.Astfel, absorbţia multifoton are loc când doi sau mai mulţi fotoni interacţionează simultan pentru a produce momente de dipol electric cu care radiaţia incidentă se poate cupla. Aceşti dipoli pot absorbi energie din radiaţia incidentă, ajungând la o cuplare maximă cu radiaţia atunci când frecvenţa este egală cu modul fundamental de oscilaţie al dipolului molecular (ca în cazul legăturii Si-O) din infraroşul îndepărtat, sau cu una dintre armonicele sale.
Absorbţia selectivă de lumină infraroşie de către un anume material are loc deoarece frecvenţa aleasă pentru razele de lumină este aceeaşi frecvenţă (sau un multiplu întreg al frecvenţei) la care vibrează particulele acelui material. Întrucât atomi şi molecule diferite au frecvenţe naturale de vibraţie diferite, toate vor absorbi selectiv frecvenţe diferite (sau porţiuni diferite de spectru) de lumină infraroşie.
Reflexia şi transmisia undelor de lumină au loc pentru că frecvenţele undelor de lumină nu sunt frecvenţele naturale de rezonanţă ale obiectelor. Când lumina infraroşie la aceste frecvenţe loveşte un obiect, energia este fie reflectată, fie transmisă.
Lumina este dirijată prin miezul fibrei optice cu ajutorul reflexiei interne totale. Aceasta face fibra să se comporte ca ghid de undă. Fibrele care suportă mai multe căi de propagare sau moduri transversale se numesc fibre multimodale (MMF), iar cele ce suportă un singur mod sunt fibre monomodale (SMF). Fibrele multimodale au în general un diametru mai mare al miezului şi sunt utilizate în comunicaţii pe distanţe mai scurte şi în aplicaţii în care trebuie transferată multă putere. Fibrele monomodale se utilizează pentru comunicaţii pe distanţe de peste 550 m.
Conectarea fibrelor optice una de alta este mai complexă decât cea a cablurilor electrice. Capetele fibrei trebuie să fie atent tăiate, şi apoi unite fie mecanic fie prin sudare cu arc electric. Se utilizează conectori speciali pentru conexiuni ce pot fi înlăturate.
Istoric
Daniel Colladon a fost primul care a descris această „fântână de lumină” sau „conductă de lumină” într-un articol din 1842 intitulat Despre reflexiile unei raze de lumină în interiorul unui flux parabolic de lichid. Această ilustraţie provine dintr-un articol ulterior al lui Colladon, din 1884.Tehnologia fibrelor optice, deşi devenită omniprezentă doar în lumea modernă, este una simplă şi relativ veche. Ghidarea luminii prin reflexii repetate, principiul care stă la baza fibrelor optice, a fost demonstrat pentru prima oară de Daniel Colladon şi Jacques Babinet la Paris la începutul anilor 1840. John Tyndall a inclus o demonstraţie a acesteia în cursurile sale publice de la Londra un deceniu mai târziu.[1] Tyndall a scris şi despre proprietatea de reflexie internă totală într-o carte introductivă despre natura luminii, în 1870: „Când lumina trece din aer în apă, raza refractată este întoarsă înspre perpendiculară… Când raza trece din apă în aer, ea este întoarsă dinspre perpendiculară… Dacă unghiul făcut de raza din apă cu perpendiculara la suprafaţă este mai mare de 48 de grade, raza nu va mai ieşi deloc din apă: ea va fi totalmente reflectată la suprafaţă…. Unghiul ce marchează limita la care reflexia totală începe se numeşte unghi limită al mediului. Pentru apă, acest unghi este de 48°27′, pentru sticlă flint, este de 38°41′, iar pentru diamant, este de 23°42′.”[2][3]
Aplicaţiile practice, cum ar fi iluminarea de aproape în stomatologie, au apărut la începutul secolului al XX-lea. Transmisia imaginii prin tuburi a fost demonstrată independent de Clarence Hansell şi de pionierul televiziunii John Logie Baird în anii 1920. Principiul a fost utilizat pentru examinări medicale interne de Heinrich Lamm în deceniul imediat următor. În 1952, fizicianul Narinder Singh Kapany a efectuat experimente ce au condus la inventarea fibrei optice. Fibra optică modernă, în care fibra de sticlă este învelită cu un strat transparent pentru a-i oferi un indice de refracţie mai potrivit, a apărut în acelaşi deceniu.[1] Dezvoltarea s-a concentrat apoi pe transmiterea de imagini prin snopuri de fibră. Primul gastroscop semiflexibil cu fibră optică a fost patentat de Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters, şi Lawrence E. Curtiss, cercetători de la Universitatea Michigan, în 1956. În procesul de dezvoltare a gastroscopului, Curtiss a produs primele fibre învelite în sticlă; fibrele optice anterioare se bazau pe aer sau pe uleiuri şi diverse tipuri de ceară ca material de învelire cu indice de refracţie mic.
Jun-ichi Nishizawa, un om de ştiinţă japonez de la Universitatea Tohoku, a fost primul care a propus utilizarea fibrei optice în telecomunicaţii în 1963.[4] Nishizawa a inventat alte tehnologii ce au contribuit la dezvoltarea comunicaţiilor prin fibră optică.[5] Nishizawa a inventat fibra optică cu indice de refracţie gradat în 1964 pentru a servi drept canal de transmisie a luminii de la laserii cu semiconductor pe distanţe lungi cu pierderi mici.[6]
În 1965, Charles K. Kao şi George A. Hockham de la compania britanică Standard Telephones and Cables (STC) au fost primii care au promovat ideea că atenuarea în fibra optică poate fi redusă sub pragul de 20 decibeli pe kilometru (dB/km), permiţând utilizarea fibrelor optice ca mediu practic de telecomunicaţii.[7] Ei au arătat că atenuarea din fibra optică disponibilă la acea vreme este cauzată de impurităţi care pot fi înlăturate, şi nu de fenomene fizice fundamentale, cum ar fi împrăştierea. Această descoperire i-a adus lui Kao Premiul Nobel pentru Fizică în 2009.[8]
Nivelul crucial de atenuare de 20 dB/km a fost atins pentru prima oară în 1970, de cercetătorii Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter C. Schultz şi Frank Zimar de la fabricantul american de sticlă Corning Glass Works, denumit astăzi Corning Incorporated. Ei au realizat o fibră cu atenuare de 17 dB/km prin doparea sticlei de silicat cu titan. Câţiva ani mai târziu, ei au produs o fibră cu doar 4 dB/km atenuare cu dioxid de germaniu ca dopant pentru miez. Asemenea atenuări mici au deschis calea comunicaţiilor prin fibră optică şi Internetului. În 1981, General Electric a produs longouri de cuarţ ce putea fi tras în fire de fibră optică de 40 km lungime.[9]
Atenuarea din cablurile moderne de fibră optică este cu mult mai mică decât în cablurile electrice de cupru, ducând la conexiuni de fibră optică cu distanţe între repetoare de 70–150 km. Amplificatorul de fibră optică dopată cu erbiu, care a redus costul sistemelor de comunicaţii prin fibră optică pe distanţe mari prin reducerea şi, în multe cazuri, eliminarea totală a necesităţii repetoarelor optic-electric-optic, a fost dezvoltată de mai multe echipe conduse de David N. Payne de la Universitatea Southampton, şi de Emmanuel Desurvire de la Laboratoarele Bell în 1986. Fibra optică mai robustă folosită astăzi se are atât miezul cât şi teaca din sticlă, suferind astfel mai puţin de pe urma trecerii timpului. Ea a fost inventată de Gerhard Bernsee în 1973 la Schott AG în Germania.[10]
În 1991, studiile în domeniul cristalelor fotonice a dus la dezvoltarea fibrei optice cu cristal fotonic[11] care ghidează lumina prin difracţie într-o structură periodică, şi nu prin reflexie internă totală. Prima fibră din cristal fotonic a devenit disponibilă pe piaţă în 2000.[12] Fibra din cristal fotonic poate fi proiectată să transfere putere mai multă decât fibra convenţională, iar proprietăţile dependente de lungimea de undă pot fi manipulate pentru a îmbunătăţi performanţele fibrei în anumite aplicaţii.
Aplicaţii
Telecomunicaţii prin fibră optică
Fibra optică poate fi utilizată ca mediu de telecomunicaţii şi reţele deoarece este flexibilă şi poate fi strânsă în cabluri. Este deosebit de avantajoasă pentru comunicaţii pe distanţe mari, deoarece lumina se propagă prin fibră cu atenuare mică în comparaţie cu cablurile electrice. Aceasta permite acoperirea de distanţe mari cu doar câteva repetoare. În plus, semnalele luminoase propagate în fibră pe fiecare canal pot fi modulate la viteze de până la 111 gigabiţi pe secundă.[13] Fiecare fibră poate transmite mai multe canale independente, fiecare folosind o altă lungime de undă a luminii (multiplexare cu diviziune a lungimii de undă). Rata de transfer netă (fără octeţi de overhead) este rata de transfer efectiv de date înmulţită cu numărul de canale (de regulă în număr de până la 80 pentru sistemele cu multiplexare densă în lungimea de undă la nivelul anului 2008). Recordul de transmisie prin fibră optică în laborator este deţinut de Laboratoarele Bell Labs din Villarceaux, Franţa, cu multiplexarea a 155 canale, fiecare de câte 100 Gbps pe o fibră de 7000 km.[14].
Pe distanţe scurte, cum ar fi reţeaua unei clădiri, fibra optică economiseşte spaţiu în conductele de cablu deoarece o singură fibră poate transporta mai multe date decât un singur cablu electric. Fibra este imună şi la interferenţele electrice; nu există cross-talk între semnalele de pe cabluri diferite şi fibra optică nu culege zgomote electromagnetice din mediu. Cablurile de fibră optică nu conduc electricitate, aceasta fiind o bună soluţie pentru protejarea echipamentelor de comunicaţii aflate în medii de înaltă tensiune cum ar fi centralele electrice, sau structurile metalice de comunicaţii vulnerabile la trăsnet. Ele pot fi utilizate şi în medii în care sunt prezente gaze inflamabile, fără pericol de explozie. Interceptarea comunicaţiilor este mai dificilă prin comparaţie cu conexiunile electrice, şi există fibre cu miez dublu concentric care fac interceptarea şi mai dificilă.
Desi fibra optică se poate face din plastic transparent, sticlă, sau o combinaţie de cele două, fibrele optice utilizate în telecomunicaţii pe distanţe mari sunt întotdeauna din sticlă, din cauza atenuării optice mai mici. Atât fibrele multimodale cât şi cele monomodale sunt utilizate în telecomunicaţii, cea multimodală fiind folosită pentru distanţe mici, de până la 550 m, iar cea monomodală la legături pe distanţe mari. Din cauza toleranţelor mai mici necesare pentru cuplarea luminii între fibrele monomodale (cu diametrul miezului de aproximativ 10 micrometri), transmiţătoarele, receptoarele, amplificatoarele şi alte componente monomodale sunt în general mai costisitoare decât cele multimodale.
Senzori cu fibră optică
În unele aplicaţii, se folosesc senzori care sunt ei înşişi fibre optice. În alte cazuri, fibra optică este utilizată pentru a conecta un senzor cu sistemul de măsurare. În funcţie de aplicaţie, fibra optică se poate folosi deoarece este mică, sau pentru că în punctul îndepărtat de măsurare nu există energie electrică, sau pentru că astfel se pot multiplexa mai mulţi senzori pe lungimea unei singure fibre prin folosirea de lungimi de undă diferite pe fiecare senzor, sau prin detectarea întârzierii suferite de lumină la trecerea prin fiecare senzor.
Fibra optică se poate utiliza ca senzor de măsurare a tensiunii, temperaturii, presiunii şi a altor cantităţi prin modificarea fibrei astfel încât cantitatea de măsurat să moduleze intensitatea, faza, polarizarea, lungimea de undă sau durata de trecere a luminii. Senzorii care pot varia intensitatea luminii sunt cei mai simpli, deoarece sunt necesare doar o sursă şi un detector.
Senzorii extrinseci utilizează un cablu de fibră optică, în mod normal multimodal, pentru a transmite lumină modulată fie de la un senzor de alt tip, fie de la un senzor electronic conectat la un transmiţător optic. Un beneficiu major al senzorilor extrinseci este abilitatea lor de a ajunge în locuri altfel inaccesibile. Un exemplu îl constituie măsurarea temperaturii din interiorul motoarelor cu reacţie ale avioanelor cu ajutorul unei fibre care transmite radiaţii într-un pirometru aflat în afara motorului. Senzorii extrinseci pot fi utilizaţi în acelaşi fel pentru a măsura temperatura internă a transformatoarelor electrice, unde câmpurile electromagnetice prezente fac imposibile alte tehnici de măsurare. Senzorii extrinseci măsoară şi vibraţii, rotaţii, deplasări, viteze, acceleraţii, momente ale forţelor şi tensiuni mecanice.
Alte utilizări
Un frisbee iluminat cu fibră opticăFibra optică este folosită şi în iluminat, ca ghid de lumină în aplicaţii medicale şi nu numai, în care este nevoie de lumină puternică pe un punct ascuns. În unele clădiri, fibra optică este utilizată pentru a direcţiona lumina solară de pe acoperiş spre alte părţi ale clădirii. Iluminarea cu fibră optică este folosită şi în aplicaţii decorative, la indicatoare, lucrări de artă şi în pomi de Crăciun artificial. Magazinele Swarovski utilizează fibra optică pentru a ilumina cristalele expuse din mai multe unghiuri cu o singură sursă de lumină.
Un grup coerent de fibre se utilizează, uneori împreună cu lentile, la un dispozitiv lung şi subţire de achiziţionat imagini, numit endoscop, folosit pentru a vedea obiecte printr-o gaură mică. Endoscoapele medicale sunt utilizate pentru proceduri chirurgicale neinvazive (endoscopie). Endoscoapele industriale sunt utilizate la inspectarea unor puncte la care se ajunge greu, cum ar fi interioarele motoarelor cu reacţie.
În spectroscopie, cablurile de fibră optică sunt utilizate pentru a transmite lumina de la un spectrometru la o substanţă ce nu poate fi pusă ea însăşi în spectrometru, pentru a i se analiza compoziţia. Un specrometru analizează substanţele trecând lumină prin ele şi reflectând lumină din ele. Cu fibră optică, un spectrometru poate fi folosit pentru a studia obiecte prea mari pentru a încăpea în el, gaze sau reacţii ce au loc în vase sub presiune.[15][16][17]
O fibră optică dopată cu anumite elemente rare, cum ar fi erbiul se pot folosi ca mediu de amplificare pentru un laser sau amplificator optic. Fibra optică dopată cu elemente rare se poate folosi şi pentru a amplifica semnale prin tăierea unei scurte secţiuni de fibră dopată şi introducerea ei într-o linie de fibră obişnuită. Fibra dopată este pompată optic cu o a doua lungime de undă cuplată la linie. Lumina de ambele lungimi de undă se transmite prin fibra dopată, care transferă energie de la a doua lungime de undă la unda purtătoare de semnal. Procesul care determină amplificarea este emisia stimulată.
Fibrele optice dopate cu un deplasator de lungime de undă folosesc la colectarea luminii de la un scintilator în experimentele de fizică. Fibra optică poate oferi alimentare cu energie (aproximativ un watt) unor dispozitive electronice aflate într-un mediu electric dificil.
Principiul de funcţionare
O fibră optică este un ghid de undă dielectric cilindric ce transmite lumina de-a lungul axei sale, prin procesul de reflexie internă totală. Fibra constă dintr-un miez înconjurat de un strat de substanţă (teacă). Pentru a păstra semnalul optic în miez, indicele de refracţie al miezului trebuie să fie mai mare decât cel al tecii. Limita dintre miez şi teacă poate fi fie abruptă, în fibra cu salt de indice, fie gradat, în fibra cu indice gradat.
Indicele de refracţie
Pentru detalii, vezi: Indice de refracţie.
Indicele de refracţie este o măsură a vitezei luminii printr-un material. Viteza de deplasare a luminii în vid este de 300 de milioane de metri pe secundă. Indicele de refracţie al unui mediu se calculează împărţind viteza luminii în vid la viteza luminii în mediul respectiv. Deci, prin definiţie, indicele de refracţie al vidului este 1. Valoarea tipică pentru teaca unei fibre optice este 1.46. Valoarea miezului este de regulă 1,48. Cu cât este mai mare indicele de refracţie, cu atât mai încet se propagă lumina prin mediu. Semnalul din fibra optică va călători, astfel, cu o viteză de aproximativ 200 de milioane de metri pe secundă, propagându-se astfel la 1000 de kilometri distanţă în decurs de 5 milisecunde. Astfel, un apel telefonic transportat pe fibră optică între Sydney şi New York, pe o distanţă de 12000 kilometri va avea o întârziere minimă absolută de 60 de milisecunde (o şaisprezecime de secundă) între momentul când un interlocutor vorbeşte şi celălalt aude (desigur, ruta urmată de apel nu va fi cea mai scurtă, şi în plus mai apar întârzieri din cauza comutaţiei echipamentului de comunicaţie şi prin procesul de codificare şi decodificare a vocii).
Reflexia internă totală
Când lumina trece printr-un mediu dens şi întâlneşte o limită de demarcaţie cu unghi abrupt (mai mare decât unghiul critic al suprafeţei), lumina va fi reflectată în întregime. Efectul este folosit în fibra optică pentru a păstra lumina în miez. Lumina se deplasează prin fibră reflectându-se de o parte şi de alta a limitei cu teaca. Deoarece lumina trebuie să lovească limita de demarcaţie la un unghi mai mare decât cel critic, doar lumina care intră în fibră într-o anumită gamă de unghiuri poate traversa fibra fără a ieşi din ea. Această gamă de unghiuri se numeşte con de acceptanţă al fibrei. Dimensiunile conului de acceptanţă depind de diferenţa de indice de refracţie între miez şi teacă.
În termeni simpli, există un unghi maxim faţă de axa fibrei sub care lumina poate intra în fibră astfel încât să se propage prin miez. Sinusul acestui unghi maxim este deschiderea numerică a fibrei. Fibra cu deschidere numerică mare necesită mai puţină precizie la tăiere şi la lucru decât cea cu deschidere mică. Fibra monomodală are deschidere numerică mică.
Fibra multimodală
Propagarea luminii prin fibra optică multimodală.
Un laser reflectându-se dintr-un baston de sticlă acrilică, ilustrând reflexia internă totală a luminii într-o fibră optică multimodală.Fibra optică cu diametru mare al miezului (mai mare de 10 micrometri) poate fi analizată cu ajutorul opticii geometrice. Această fibră se numeşte fibră multimod. Într-o fibră optică multimod cu salt de indice, razele de lumină sunt conduse de-a lungul miezului fibrei prin reflexie internă totală. Razele ce ajung la suprafaţa de contact miez-teacă cu unghi mare (relativ la normala la suprafaţă), mai mare decât unghiul critic al acestei suprafeţe, sunt complet reflectate. Unghiul critic (unghiul minim pentru reflexia internă totală) este determinat de diferenţa între indicele de refracţie al miezului şi cel al tecii. Razele care ajung la suprafaţa de separare sub un unghi mic sunt refractate din miez în teacă, şi deci nu transmit lumina (şi deci informaţia) de-a lungul fibrei. Unghiul critic determină unghiul de acceptanţă al fibrei, adesea dat ca apertură numerică. O apertură numerică mare permite luminii să se propage de-a lungul fibrei atât în raze apropiate de ax, cât şi în raze la diferite unghiuri. Această apertură numerică mare creşte, însă, cantitatea de dispersie, întrucât razele la unghiuri diferite au drumuri optice diferite şi parcurg fibra în durate de timp diferite. O apertură numerică mică ar fi, astfel, de dorit.
Tipuri de fibră optică.În fibra cu indice gradat, indicele de refracţie al miezului scade treptat de la ax la teacă. Aceasta face razele de lumină să se „îndoaie” uşor pe măsură ce se apropie de teacă, în loc să se reflecte abrupt la suprafaţa de contact miez-teacă. Drumurile curbate astfel reduc dispersia multicăi deoarece razele cu unghi mare trec mai mult prin zonele periferice ale miezului, cu indice de refracţie mic, şi nu prin centrul cu indice de refracţie mare. Profilul indicelui de refracţie este ales pentru a minimiza diferenţa de viteză de propagare a diverselor raze din fibră. Profilul ideal este foarte apropiat de o relaţie parabolică între indicele de refracţie şi distanţa faţă de ax.
Fibra monomodală
Structura unei fibre optice monomodale tipice.
1. Miez: 8 µm diametru
2. Teacă: 125 µm dia.
3. Tampon: 250 µm dia.
4. Înveliş: 400 µm dia.Fibrele optice cu un diametru al miezului mai mic decât de zece ori lungimea de undă a luminii propagate nu pot fi modelate cu ajutorul opticii geometrice. Trebuie, în schimb, să se analizeze structura sa electromagnetică, prin rezolvarea ecuaţiilor lui Maxwell reduse la ecuaţia undei electromagnetice. Analiza electromagnetică ar putea fi necesară şi pentru a înţelege comportamente ce au loc atunci când lumina coerentă se propagă printr-o fibră multimodală. Ca ghid de undă optică, fibra suportă unul sau mai multe moduri de traversare prin care lumina se poate propaga prin fibră. Fibra ce susţine doar un mod se numeşte fibră monomodală sau monomod. Comportamentul fibrei multimodale poate fi şi el modelat cu ajutorul ecuaţiei undei electromagnetice, ceea ce arată că o astfel de fibră suportă mai multe moduri de propagare. Rezultatul modelării fibrelor multimodale cu optică electromagnetică se apropie de predicţiile opticii geometrice, dacă fibra este suficient de mare şi suportă un număr mare de moduri.
Analiza ghidului de undă arată că energia luminii în fibră nu este complet păstrată în miez. În schimb, mai ales la fibra monomodală, o fracţiune semnificativă de energie se transferă tecii sub formă de unde evanescente.
Cel mai frecvent folosit tip de fibră monomodală are un diametru al miezului de 8–10 micrometri şi este gândit pentru a fi utilizat la lungimi de undă vizibile apropiate de infraroşu. Structura modului depinde de lungimea de undă a luminii folosite, astfel că această fibră suportă de fapt un număr mic de moduri adiţionale la lungimi de undă vizibile. Fibra multimodală, prin comparaţie, este produsă cu diametru al miezului de la 50 micrometri până la câteva sute de micrometri. Frecvenţa normalizată V pentru această fibră ar trebui să fie mai mică decât primul zero al funcţiei Bessel J0 (aproximativ 2,405).
Fibre optice speciale
Se produc şi unele fibre optice speciale cu miez necilindric sau/şi cu teacă necilindrică, de regulă cu secţiune transversală eliptică sau dreptunghiulară. Aceste fibre sunt proiectate astfel pentru a păstra polarizarea luminii, de exemplu.
Fibra din cristal fotonic este realizată cu un şablon regulat de variaţie a indicelui de refracţie (adesea în formă de găuri cilindrice care merg de-a lungul lungimii fibrei). Astfel de fibre folosesc efectele de difracţie în loc de (sau pe lângă) reflexia internă totală, pentru a păstra lumina în miezul fibrei. Proprietăţile fibrei pot fi modificate într-o varietate largă de aplicaţii.
Mecanisme de atenuare
Atenuarea luminii cu ZBLAN şi fibre din silicatAtenuarea în fibra optică, denumită şi pierdere de transmisie, reprezintă reducerea de intensitate a razei de lumină în raport cu distanţa parcursă printr-un mediu de transmisie. Coeficienţii de atenuare utilizează în general ca unitate dB/km din cauza calităţii relativ mari a transparenţei mediilor optice moderne. Mediul este de regulă o fibră din sticlă de silicat care păstrează raza de lumină incidentă în interior. Atenuarea este un factor important de limitare a transmisiei unui semnal pe distanţe mari. Astfel, s-au făcut numeroase cercetări atât pentru limitarea atenuării, cât şi pentru maximizarea amplificării semnalului optic. Atenuarea este cauzată în primul rând de împrăştiere şi absorbţie.
Împrăştierea luminii
Reflexie speculară
Reflexie difuzăPropagarea luminii prin miezul unei fibre optice se bazează pe reflexia internă totală a undei de lumină. Suprafeţele neregulate, chiar şi la nivel molecular, pot reflecta razele de lumină în direcţii aleatoare. Aceasta se numeşte reflexie difuză sau împrăştiere, şi este caracterizată de regulă de o mare varietate de unghiuri de reflexie.
Împrăştierea luminii depinde de lungimea de undă a luminii împrăştiate. Astfel apar limite ale scării de vizibilitate, în funcţie de frecvenţa undei incidente şi de dimensiunea fizică a centrului de împrăştiere, care este de regulă o trăsătură microstructurală specifică. Întrucât lumina vizibilă are o lungime de undă de ordinul sutelor de nanometri şi micronilor, centrele de împrăştiere vor avea dimensiuni similare.
Astfel, atenuarea provine din împrăştierea incoerentă a luminii pe suprafeţele de contact interne. În materiale (poli)cristaline cum ar fi metalele sau ceramica, pe lângă pori, majoritatea suprafeţelor interne sunt de forma limitelor intergranulare care separă regiuni mici de cristal. Dacă dimensiunea centrului de împrăştiere se reduce sub dimensiunea lungimii de undă, împrăştierea nu mai are o amploare semnificativă. Acest fenomen a dat naştere producţiei de materiale ceramice transparente.
Similar, împrăştierea luminii în fibră de sticlă deste cauzată de neregularităţile la nivel molecular ale structurii sticlei. Sticla este văzută de unii fizicieni ca un simplu caz-limită de solid policristalin. În acest context, „domenii” ce prezintă diverse grade de ordine pe scară redusă devin blocurile de construcţie ale metalelor şi aliajelor, precum şi sticlei şi ceramicii. Există defecte microstructurale distribuite printre şi în cadrul acestor domenii, defecte ce furnizează majoritatea punctelor ideale pentru apariţia împrăştierii luminii. Acelaşi fenomen se observă ca factor limitator al transparenţei domurilor de rachete cu infraroşii.[18]
La puteri optice mari, împrăştierea poate fi cauzată şi de procesele optice neliniare din fibră.[19][20]
Absorbţia razelor ultraviolete, vizibile şi infraroşii
Pe lângă împrăştierea luminii, atenuarea poate apărea şi din cauza absorbţiei selective a anumitor lungimi de undă, într-o manieră similară cu cea răspunzătoare pentru apariţia culorilor obiectelor:
1) La nivel electronic, depinde dacă orbitalii electronilor sunt spaţiaţi de aşa natură încât să poată absorbi o cuantă de lumină de o anumită lungime de undă în spectrul ultraviolet sau vizibil. Aceasta dă naştere la proprietatea de culoare.
2) La nivel atomic sau molecular, depinde de frecvenţele de vibraţie moleculară sau de legăturile chimice, de cât de apropiaţi sunt atomii între ei şi moleculele între ele şi dacă atomii sau moleculele prezintă ordine pe scară mare. Aceşti factori vor determina capacitatea materialului de a transmite lungimi de undă mai mari (în spectrul infraroşu, radio şi cel al microundelor).
Designul oricărui dispozitiv transparent impune alegerea materialelor pe baza cunoaşterii proprietăţilor şi limitărilor lor. Caracteristicile de absorbţie ale structurilor cristaline observate în regiunile de joasă frecvenţă (infraroşu mediu spre infraroşu îndepărtat) definesc limita de transparenţă la lungime mare de undă a materialului. Aceste caracteristici sunt rezultatul cuplărilor interactive dintre mişcarea vibraţiilor termice ale atomilor constituenţi şi moleculelor structurii solidului şi radiaţiei luminoase incidente. Astfel, toate materialele sunt limitate de regiuni de absorbţie cauzate de vibraţiile moleculare şi atomice din infraroşul îndepărtat (\lambda;>10 µm).
Modurile normale de vibraţie într-un solid cristalin.Astfel, absorbţia multifoton are loc când doi sau mai mulţi fotoni interacţionează simultan pentru a produce momente de dipol electric cu care radiaţia incidentă se poate cupla. Aceşti dipoli pot absorbi energie din radiaţia incidentă, ajungând la o cuplare maximă cu radiaţia atunci când frecvenţa este egală cu modul fundamental de oscilaţie al dipolului molecular (ca în cazul legăturii Si-O) din infraroşul îndepărtat, sau cu una dintre armonicele sale.
Absorbţia selectivă de lumină infraroşie de către un anume material are loc deoarece frecvenţa aleasă pentru razele de lumină este aceeaşi frecvenţă (sau un multiplu întreg al frecvenţei) la care vibrează particulele acelui material. Întrucât atomi şi molecule diferite au frecvenţe naturale de vibraţie diferite, toate vor absorbi selectiv frecvenţe diferite (sau porţiuni diferite de spectru) de lumină infraroşie.
Reflexia şi transmisia undelor de lumină au loc pentru că frecvenţele undelor de lumină nu sunt frecvenţele naturale de rezonanţă ale obiectelor. Când lumina infraroşie la aceste frecvenţe loveşte un obiect, energia este fie reflectată, fie transmisă.
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu