मल्टीमोड फाइबर ऑप्टिक्स: मुख्य सिद्धांत और प्रदर्शन सीमाएँ

फाइबर ऑप्टिक्स, महत्वपूर्ण ऑप्टिकल वेवगाइड घटकों के रूप में, दूरसंचार, स्पेक्ट्रोस्कोपी, रोशनी और सेंसर अनुप्रयोगों में तेजी से उपयोग किए जाते हैं। व्यावहारिक कार्यान्वयन में उनकी क्षमता को अधिकतम करने के लिए उनके परिचालन सिद्धांतों और प्रदर्शन अनुकूलन तकनीकों को समझना आवश्यक है।

ऑप्टिकल फाइबर ठोस या तरल संरचनाओं के भीतर प्रकाश को सीमित और निर्देशित करने के लिए कुल आंतरिक परावर्तन (TIR) का उपयोग करके वेवगाइड के रूप में कार्य करते हैं। सबसे प्रचलित फाइबर प्रकार—स्टेप-इंडेक्स फाइबर—में एक उच्च अपवर्तक सूचकांक कोर होता है जो क्लैडिंग से घिरा होता है। जब प्रकाश कोर-क्लैडिंग इंटरफेस पर क्रांतिक कोण से अधिक कोण पर टकराता है, तो टीआईआर होता है, जो कोर के भीतर प्रकाश को फँसाता है।

स्वीकृति कोण (θ ^acc ) टीआईआर के लिए अधिकतम आपतन कोण निर्धारित करता है और स्नेल के नियम का उपयोग करके गणना की जाती है:

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

जहां n ^core और n ^clad क्रमशः कोर और क्लैडिंग अपवर्तक सूचकांकों का प्रतिनिधित्व करते हैं, और n बाहरी माध्यम के अपवर्तक सूचकांक को दर्शाता है। निर्माता आमतौर पर संख्यात्मक एपर्चर (NA) के माध्यम से प्रकाश-संग्रहण क्षमता की विशेषता बताते हैं:

NA = √(n ^core ² - n ^clad ²)

बड़े-कोर स्टेप-इंडेक्स मल्टीमोड फाइबर के लिए, यह सूत्र सटीक NA मान प्रदान करता है। दूर-क्षेत्र बीम प्रोफाइल माप (उस कोण की पहचान करना जहां तीव्रता अधिकतम का 5% तक गिर जाती है) के माध्यम से प्रायोगिक निर्धारण वैकल्पिक सत्यापन प्रदान करता है।

एक फाइबर के माध्यम से प्रत्येक संभावित प्रकाश पथ एक निर्देशित मोड बनाता है। फाइबर ज्यामिति और सामग्री गुण मोड गणना निर्धारित करते हैं, जो सिंगल-मोड से लेकर हजारों मोड तक होते हैं। सामान्यीकृत आवृत्ति (वी-नंबर) समर्थित मोड का अनुमान लगाती है:

V = (2πa/λ) × NA

जहां a कोर त्रिज्या है और λ मुक्त-अंतरिक्ष तरंग दैर्ध्य है। मल्टीमोड फाइबर वी-मान प्रदर्शित करते हैं >>1 (उदाहरण के लिए, 1.5μm पर 50µm/0.39NA फाइबर के लिए V≈40.8), लगभग V²/2 मोड का समर्थन करते हैं। सिंगल-मोड फाइबर छोटे कोर और कम NA के माध्यम से V<2.405 बनाए रखते हैं।

• फ्यूज्ड सिलिका में आंतरिक फोनन इंटरैक्शन 2000nm से आगे हावी होते हैं
• OH⁻ आयनों जैसे संदूषक 1300nm और 2.94μm पर अवशोषण शिखर बनाते हैं
• डोपेंट इंजीनियरिंग अनुकूलित ट्रांसमिशन विंडो को सक्षम बनाता है

• रेले प्रकीर्णन (∝1/λ⁴) छोटी तरंग दैर्ध्य पर प्रबल होता है
• विनिर्माण या हैंडलिंग से दोष बाहरी प्रकीर्णन को बढ़ाते हैं

• बीम व्यास <70% कोर आकार
• निम्न-क्रम मोड पसंद करता है
• कम झुकने की संवेदनशीलता
• उच्च कोर शक्ति घनत्व

• बीम कोर आयामों से अधिक है
• सभी मोड को समान रूप से उत्तेजित करता है
• उच्च प्रारंभिक शक्ति थ्रूपुट
• दूरी पर तेजी से उच्च-मोड क्षीणन

• झुकने से प्रेरित: तंग झुकने पर स्थानीयकृत ताप
• फोटोडार्किंग: यूवी/छोटी-तरंग दैर्ध्य प्रेरित क्षीणन

1. स्थापना से पहले सभी फाइबर इंटरफेस का निरीक्षण और सफाई करें
2. उच्च-शक्ति संचालन से पहले कम शक्ति पर स्प्लिसेस को सत्यापित करें
3. प्रदर्शन की निगरानी करते हुए धीरे-धीरे शक्ति बढ़ाएँ
4. विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त फाइबर प्रकार का चयन करें
5. उचित कॉइलिंग और तनाव राहत तकनीकों को लागू करें