Πολυτροπικά Οπτικά Ίνα: Βασικές Αρχές και Όρια Απόδοσης

Οι οπτικές ίνες, ως κρίσιμα οπτικά στοιχεία κυματοδηγού, χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σε τηλεπικοινωνίες, φασματοσκοπία, φωτισμό και εφαρμογές αισθητήρων. Η κατανόηση των λειτουργικών τους αρχών και των τεχνικών βελτιστοποίησης της απόδοσής τους είναι απαραίτητη για τη μεγιστοποίηση των δυνατοτήτων τους σε πρακτικές εφαρμογές.

Οι οπτικές ίνες λειτουργούν ως κυματοδηγοί χρησιμοποιώντας την ολική εσωτερική ανάκλαση (ΟΕΑ) για να περιορίσουν και να κατευθύνουν το φως μέσα σε στερεές ή υγρές δομές. Ο πιο διαδεδομένος τύπος ίνας —η ίνα με δείκτη βήματος— αποτελείται από έναν πυρήνα υψηλότερου δείκτη διάθλασης που περιβάλλεται από επένδυση. Όταν το φως προσκρούει στη διεπαφή πυρήνα-επένδυσης σε γωνία που υπερβαίνει την κρίσιμη γωνία, συμβαίνει ΟΕΑ, παγιδεύοντας το φως μέσα στον πυρήνα.

Η γωνία αποδοχής (θ ^acc ) υπαγορεύει τη μέγιστη γωνία πρόσπτωσης για την ΟΕΑ και υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον νόμο του Snell:

θ ^acc = arcsin(√(n ^core ² - n ^clad ²) / n)

όπου n ^core και n ^clad αντιπροσωπεύουν τους δείκτες διάθλασης του πυρήνα και της επένδυσης αντίστοιχα, και το n δηλώνει τον δείκτη διάθλασης του εξωτερικού μέσου. Οι κατασκευαστές χαρακτηρίζουν τυπικά την ικανότητα συλλογής φωτός μέσω του αριθμητικού διαφράγματος (NA):

NA = √(n ^core ² - n ^clad ²)

Για ίνες πολυτροπικές με μεγάλο πυρήνα με δείκτη βήματος, αυτός ο τύπος παρέχει ακριβείς τιμές NA. Ο πειραματικός προσδιορισμός μέσω της μέτρησης του προφίλ δέσμης στο μακρινό πεδίο (προσδιορισμός της γωνίας όπου η ένταση πέφτει στο 5% του μέγιστου) προσφέρει εναλλακτική επαλήθευση.

Κάθε πιθανή διαδρομή φωτός μέσω μιας ίνας αποτελεί έναν καθοδηγούμενο τρόπο. Η γεωμετρία της ίνας και οι ιδιότητες του υλικού καθορίζουν τον αριθμό των τρόπων, που κυμαίνεται από μονοτροπικούς έως χιλιάδες τρόπους. Η κανονικοποιημένη συχνότητα (αριθμός V) εκτιμά τους υποστηριζόμενους τρόπους:

V = (2πa/λ) × NA

όπου a είναι η ακτίνα του πυρήνα και λ είναι το μήκος κύματος ελεύθερου χώρου. Οι πολυτροπικές ίνες εμφανίζουν τιμές V >>1 (π.χ., V≈40.8 για ίνα 50µm/0.39NA στα 1.5µm), υποστηρίζοντας περίπου V²/2 τρόπους. Οι μονοτροπικές ίνες διατηρούν V <2.405 μέσω μικρότερων πυρήνων και χαμηλότερου NA.

• Οι εγγενείς αλληλεπιδράσεις φωνονίων σε συγκολλημένο πυρίτιο κυριαρχούν πέρα από τα 2000nm
• Οι ρύποι όπως τα ιόντα OH⁻ δημιουργούν κορυφές απορρόφησης στα 1300nm και 2.94µm
• Η μηχανική προσθήκης προσμείξεων επιτρέπει προσαρμοσμένα παράθυρα μετάδοσης

• Η σκέδαση Rayleigh (∝1/λ⁴) επικρατεί σε μικρότερα μήκη κύματος
• Οι ατέλειες από την κατασκευή ή τον χειρισμό αυξάνουν την εξωγενή σκέδαση

• Διάμετρος δέσμης <70% μέγεθος πυρήνα
• Προτιμά τρόπους χαμηλής τάξης
• Μειωμένη ευαισθησία στην κάμψη
• Υψηλότερη πυκνότητα ισχύος πυρήνα

• Η δέσμη υπερβαίνει τις διαστάσεις του πυρήνα
• Διεγείρει όλους τους τρόπους εξίσου
• Υψηλότερη αρχική απόδοση ισχύος
• Γρήγορη εξασθένηση υψηλού τρόπου σε απόσταση

• Επαγόμενη από κάμψη: Τοπική θέρμανση σε σφιχτές καμπύλες
• Φωτοσκότιση: Εξασθένηση που προκαλείται από UV/μικρό μήκος κύματος

1. Επιθεωρήστε και καθαρίστε όλες τις διεπαφές ινών πριν από την εγκατάσταση
2. Επαληθεύστε τις συνδέσεις σε χαμηλή ισχύ πριν από τη λειτουργία υψηλής ισχύος
3. Αυξήστε σταδιακά την ισχύ ενώ παρακολουθείτε την απόδοση
4. Επιλέξτε κατάλληλους τύπους ινών για συγκεκριμένες εφαρμογές
5. Εφαρμόστε κατάλληλες τεχνικές περιέλιξης και ανακούφισης από την καταπόνηση