Įvadas
Optiniai signalai informacijai perduoti naudojami jau nuo senų laikų. Nuo pirmykščių žmonių, siuntusių signalus dūmais ar atspindėtais saulės spinduliais, iki švyturių ir semaforų, žmonija nuolat ieškojo efektyvesnių būdų perduoti informaciją. Šiuolaikiniame pasaulyje šviesolaidinės optinio ryšio sistemos tapo neatsiejama kasdienio gyvenimo dalimi, sudarydamos galimybę greitai ir patikimai perduoti didelius informacijos kiekius. Šio straipsnio tikslas - išnagrinėti visiškojo vidaus atspindžio reiškinį, kuris yra šviesolaidinių technologijų pagrindas, ir aptarti jo svarbą optiniame ryšyje.
Optinio Ryšio Raida
Pirmykštis žmogus naudojo vizualinius metodus bendravimui, pavyzdžiui, pavojaus signalo skelbimą panaudojant dūmus ar atspindėtus saulės spindulius. Vėliau atsirado švyturiai, semaforai, telegrafas, telefonai ir bevielės sistemos. Maždaug 1980 metais šviesolaidinės optinio ryšio sistemos buvo įdiegtos beveik visose pasaulio šalyse. Perėjimą nuo koaksialinių kabelių ir bangolaidžių prie optinių skaidulų ir kabelių skatino ryšio linijų savikainos mažinimo ir milžiniškos informacijos perdavimo spartos galimybės. Laikui bėgant tobulėjo šviesolaidžių gamybos technologijos, mažėjo jų savikaina.
Visiškasis Vidaus Atspindys: Esminis Optinio Skaidrumo Elementas
Visiškasis vidaus atspindys - tai optinis reiškinys, kai šviesos spindulys, sklindamas iš optiškai tankesnės medžiagos į optiškai retesnę, visiškai atsispindi atgal į tankesnę medžiagą, nepatirdamas lūžio į retesnę medžiagą. Šis reiškinys įvyksta, kai šviesos spindulio kritimo kampas į dviejų aplinkų ribą yra didesnis už tam tikrą kritinį kampą.
Kai šviesa krinta iš optiškai tankesnės į optiškai retesnę aplinką, lūžio kampas yra didesnis už kritimo kampą. Didinant kritimo kampą, lūžio kampas taip pat didėja. Kai kritimo kampas pasiekia tam tikrą vertę, vadinamą kritiniu kampu (θkrit), lūžio kampas pasiekia 90 laipsnių, o lūžęs spindulys šliaužia sandūros paviršiumi. Kai kritimo kampas yra didesnis už kritinį kampą (θ > θkrit), visa bangos energija atsispindi atgal į optiškai tankesnę aplinką. Šis reiškinys ir vadinamas visiškuoju vidaus atspindžiu.
Kiekviena skaidri medžiaga turi savo ribinį visiškojo atspindžio kampą. Šis kampas priklauso nuo dviejų medžiagų lūžio rodiklių santykio.
Taip pat skaitykite: Suprasti ribinį dažnį
Visiškasis vidaus atspindys plačiai pritaikomas įvairiose srityse, įskaitant optinius šviesolaidžius, medicinos prietaisus (endoskopai), prizmes ir kt. Dėl visiškojo atspindžio susidaro miražai.
Šviesolaidžiai: Informacijos Perdavimas Šviesos Pagalba
Šviesolaidis - optinio bangų ruožo (bangų ilgiai nuo 1 nm iki 1 mm, dažniai nuo 31011 iki 31017 Hz) dielektrinis bangolaidis. Šviesolaidžiuose elektromagnetinė energija perduodama plona optiškai skaidria skaidula (gija) panaudojant visiško vidaus atspindžio reiškinį. Paprasčiausias skaidulinis šviesolaidis yra ilga lanksti skaidula, kurios šerdis pagaminta iš lūžio rodiklio labai skaidraus dielektriko, o jos apvalkalas iš lūžio rodiklio dielektriko. Šviesos sklidimas šviesolaidyje nusakomas visiškuoju vidaus atspindžiu nuo šerdies ir apvalkalo sandūros.
Toks skaidulinis šviesolaidis sudarytas iš apvalaus skerspjūvio plonytės gijos - šerdies ir ją gaubiančio apvalkalo, kurie yra skaidrūs optinėms bangoms. Šerdies medžiagos lūžio rodiklis n1 yra šiek tiek didesnis nei apvalkalo n2 (pavyzdžiui, n1 = 1,47, o n2 = 1,45). Šerdis ir apvalkalas daromi iš legiruotų stiklų (lydyto kvarco su priemaišomis) ar skaidrių plastikų. Šerdies skersmuo būna 9 - 100 mm, apvalkalo 125 - 140 mm.
Spinduliai, į šią sandūrą krintantys kampu (čia θ > θkrit), patiria visiškąjį vidaus atspindį ir sklinda šviesolaidžiu laužtės pavidalo trajektorija. Kampais, mažesniais už kritinį kampą, spinduliai iš dalies atsispindi nuo sandūros, lūždami nukrypsta į apvalkalą ir juos sugeria išorinė danga.
Šviesolaidyje pasireiškia tokie optiniai reiškiniai: optinio signalo silpimas, trumpųjų šviesos impulsų išplitimas, įvairūs netiesiniai procesai. Optinio signalo silpimą stikliniame šviesolaidyje regimojoje ir artimoje infraraudonojoje spektro srityje (kvarcinis stiklas tokio ilgio bangoms yra skaidriausias) lemia stiklų, priemaišų ir sandaros defektų sukelta optinio signalo sugertis ir sklaida. Sklindant šviesai skaiduliniais šviesolaidžiais, netiesinių procesų atsiradimas susijęs su netiesine šerdies medžiagos poliarizacija nuo didelės galios (intensyvumo) optinių signalų. Vyksta tokie netiesiniai reiškiniai: priverstinė Ramano sklaida, priverstinė Brijueno sklaida, daugiafotoniai parametriniai procesai, šviesos impulsų saviveika, solitoninis optinių impulsų sklidimas šviesolaidyje ir kt.
Taip pat skaitykite: Sužinokite apie ribinį naudingumą
Svarbiausi skaidulinių šviesolaidžių optiniai parametrai yra skaitinė apertūra NA ir normuotasis dažnis V. Įrodyta, kad jei skaidulinio šviesolaidžio normuotasis dažnis yra mažesnis už 2,405, tai toks šviesolaidis yra vienmodis, antraip - daugiamodis. Jei šviesolaidžio normuotasis dažnis žinomas, tai galima rasti modų skaičių M tuo šviesolaidžiu sklindant bangai, kurios ilgis l. Spindulių įvaizdis teisingai nusako pagrindinius šviesos sklidimo daugiamodžiuose šviesolaidžiuose ypatumus, jei šerdies skersmuo gerokai didesnis už bangos ilgį λ.
Optinės bangos elektromagnetinė energija skaiduliniame šviesolaidyje sklinda šerdimi šviesos spindulio pavidalu pilnai atsispindėdama nuo ribos šerdis - apvalkalas. Pilnas atspindys būna tik tada, kai spindulio kritimo į šerdį kampas q būna mažesnis už tam tikrą kritinį kampą qkrit, kuriam esant spindulys slysta šerdies ir apvalkalo skiriamąja riba. Toks šviesos sklidimo šviesolaidžiu aiškinimas pagrįstas optikos (Snelijaus) dėsniais ir jame neįvertinamos šviesos elektromagnetinės savybės. Jas įvertinus paaiškėjo, kad iš visų galimų kampo q verčių nuo 0 iki qkrit tik tam tikrų diskretinių q verčių spinduliai sudaro sklindančias ir nesilpstančias tuo šviesolaidžiu bangas, kurios vadinamos modomis.
Kiekviena moda nusakoma savąja elektromagnetinio lauko struktūra, faziniu ir grupiniu greičiais. Banga šviesolaidyje mažai silpsta, kai vidiniai jo nuostoliai maži, o pati banga visiškai atsispindi nuo apvalkalo ir tenkina fazinę sąlygą. Šviesolaidžiu gali sklisti viena ar dešimtys-šimtai-tūkstančiai modų. Tai lemia šviesolaidžio medžiagos ir konstrukcija.
Pagal lūžio rodiklio kitimo šerdyje pobūdį daugiamodžiai šviesolaidžiai skirstomi į šviesolaidžius su laiptuotu ir tolydiniu (gradientiniu) lūžio rodiklio pasiskirstymu. Pirmuosiuose šerdies lūžio rodiklis yra vienodas visoje šerdyje, o antruosiuose jis didžiausias šerdies skerspjūvio centre ir tolygiai mažėja kraštų link susilygindamas su apvalkalo lūžio rodikliu. Šviesos spindulys tokios skaidulos ašimi sklinda mažiausiu greičiu, tačiau nueina trumpiausią kelią. Įstriži spinduliai nueina ilgesnį kelią, bet jie, sklisdami aplinka su mažesniu lūžio rodikliu, juda didesniu greičiu. Dėl to modų dispersija žymiai sumažėja.
Šviesolaidinių Ryšio Sistemų Raida
1966 m. K.C.Kao ir jo bendradarbiai iškėlė mintį, kad šviesolaidžius, kurie jau buvo sėkmingai taikomi endoskopijoje, būtų galima taikyti tolimajam ryšiui. Kol nebuvo tobulų stiklo gryninimo technologijų, optinėse skaidulose pasireikšdavo didelis šviesos slopinimas. Naudojant aukščiausios kokybės stiklą, minimalus regimosios šviesos slopinimas buvo apie 1000 dB/km. Jau 1975 m. JAV, sumažinus lydytame kvarce priemaišų koncentraciją, slopinimas buvo sumažintas iki 2 dB/km. Japonijos mokslininkai 1976 m. slopinimą sumažino iki rekordinės 0,5 dB/km ribos, o 1979 m. - jau net iki 0,2 dB/km. Mažas slopinimas buvo gautas naudojant 1,3 ir 1,55 µm ilgio šviesos bangas. 1982 m. Corning‘as įrodė, kad mažiausias slopinimas lydytame kvarce yra 0,15 dB/km naudojant 1,6 µm ilgio bangas.
Taip pat skaitykite: Kas yra ribinis cukraus kiekis?
1970 m. pirmą kartą buvo pagamintas puslaidininkinis lazeris, kuris galėjo veikti kambario temperatūroje. Iki 1980 metų buvo sukurti puslaidininkiniai GaAlAs šviesos šaltiniai ir Si detektoriai, kurie buvo sėkmingai realizuoti telefonijoje. Pirmose kartos sistemose buvo naudojami daugiamodžiai šviesolaidžiai, kurių skersmuo siekė 50 µm ir lazeriniai šviesos šaltiniai spinduliuojantys 850 nm ilgio bangas. Po 1985 m. tokie šviesolaidžiai ir lazeriai praktiškai nebenaudojami informacinėms magistralėms, bet sėkmingai taikomi vietiniuose ryšio tinkluose.
Siekiant padidinti informacijos perdavimo spartą ir nuotolius tarp kartotuvų, buvo sukurtos antrosios kartos sistemos, kuriuose taikomi vienmodžiai šviesolaidžiai ir lazeriai, spinduliuojantys 1,3 arba 1,55 µm ilgio bangas. Po 1980 metų vidurio vienmodžiai šviesolaidžiai pradėjo dominuoti sausumos ir povandeninėse duomenų perdavimo magistralėse. 1988 m. povandeninis vienmodis šviesolaidinis kabelis TAT8 sujungė Europą su Ameriką.
Šviesolaidžių Privalumai ir Trūkumai
Šviesolaidžiai pasižymi daugeliu privalumų, lyginant su tradicinėmis ryšio sistemomis:
- Mažas slopinimas ir dispersija užtikrina didelius atstumus tarp kartotuvų ir didelę duomenų perdavimo spartą.
- Maži skaidulos skersiniai matmenys, maža masė.
- Nedidelė savikaina.
- Nežymūs kryžminiai trukdžiai.
- Aukšto lygio saugumas (beveik neįmanomas informacijos nutekėjimas).
- Nuolatinio sistemos tobulinimo galimybės.
Tačiau šviesolaidžiai turi ir trūkumų:
- Sudėtingi sujungimai.
- Mažas atsparumas vandeniui.
- Jautrumas radiacijai.
- Ribota galia.
- Didelis kvantinis triukšmas.
- Mažas šviesolaidžių ir lazerių mechaninis atsparumas.
Šviesolaidžių Panaudojimo Sritys
Šviesolaidžiai plačiai naudojami įvairiose srityse:
- Telekomunikacijose (interneto ryšys, telefonija, kabelinė televizija).
- Medicinoje (endoskopija, lazerinė chirurgija).
- Pramonėje (jutikliai, apšvietimas).
- Moksliniuose tyrimuose (spektroskopija, mikroskopija).
- Dekoratyviniame apšvietime (vidaus ir lauko apšvietimas, baseinų apšvietimas, reklama).
Naujos Šviesolaidžių Technologijos
Pastaraisiais metais kuriamos naujos šviesolaidžių technologijos, tokios kaip įpučiami šviesolaidžiai, kurie leidžia greitai ir pigiai įrengti šviesolaidinius tinklus pastatuose. Taip pat kuriami nauji optinio pluošto kabeliai su geresniais švytėjimo rodikliais, kurie naudojami dekoratyviniam apšvietimui.
tags: #stiklo #ribinis #visiskojo #atspindzio #kampas