Principi chiave e limiti di prestazione delle fibre ottiche multimodali

Le fibre ottiche, in quanto componenti critici delle guide d'onda ottiche, sono sempre più utilizzate nelle telecomunicazioni, nella spettroscopia, nell'illuminazione e nelle applicazioni di sensori. La comprensione dei loro principi operativi e delle tecniche di ottimizzazione delle prestazioni è essenziale per massimizzare il loro potenziale nelle implementazioni pratiche.

Le fibre ottiche funzionano come guide d'onda impiegando la riflessione interna totale (TIR) per confinare e dirigere la luce all'interno di strutture solide o liquide. Il tipo di fibra più diffuso, la fibra a gradino, comprende un'anima ad indice di rifrazione più elevato circondata da un rivestimento. Quando la luce colpisce l'interfaccia anima-rivestimento con un angolo superiore all'angolo critico, si verifica la TIR, intrappolando la luce all'interno dell'anima.

L'angolo di accettazione (θ ^acc ) detta l'angolo di incidenza massimo per la TIR e viene calcolato utilizzando la legge di Snell:

θ ^acc = arcsin(√(n ^anima ² - n ^rivestimento ²) / n)

dove n ^anima e n ^rivestimento rappresentano rispettivamente gli indici di rifrazione dell'anima e del rivestimento, e n indica l'indice di rifrazione del mezzo esterno. I produttori caratterizzano tipicamente la capacità di raccolta della luce attraverso l'apertura numerica (NA):

NA = √(n ^anima ² - n ^rivestimento ²)

Per le fibre multimodali a gradino con anima grande, questa formula fornisce valori NA precisi. La determinazione sperimentale tramite la misurazione del profilo del fascio in campo lontano (identificando l'angolo in cui l'intensità scende al 5% del massimo) offre una verifica alternativa.

Ogni potenziale percorso della luce attraverso una fibra costituisce una modalità guidata. La geometria della fibra e le proprietà dei materiali determinano il conteggio delle modalità, che va da monomodale a migliaia di modalità. La frequenza normalizzata (numero V) stima le modalità supportate:

V = (2πa/λ) × NA

dove a è il raggio dell'anima e λ è la lunghezza d'onda nello spazio libero. Le fibre multimodali mostrano valori V >>1 (ad esempio, V≈40,8 per una fibra da 50µm/0,39NA a 1,5µm), supportando circa V²/2 modalità. Le fibre monomodali mantengono V<2.405 attraverso anime più piccole e NA inferiori.

• Le interazioni fononiche intrinseche nella silice fusa dominano oltre i 2000 nm
• I contaminanti come gli ioni OH⁻ creano picchi di assorbimento a 1300 nm e 2,94µm
• L'ingegneria dei droganti consente finestre di trasmissione personalizzate

• Lo scattering di Rayleigh (∝1/λ⁴) predomina a lunghezze d'onda più brevi
• Le imperfezioni dovute alla produzione o alla manipolazione aumentano lo scattering estrinseco

• Diametro del fascio <70% della dimensione dell'anima
• Preferisce le modalità di ordine inferiore
• Sensibilità alla flessione ridotta
• Maggiore densità di potenza dell'anima

• Il fascio supera le dimensioni dell'anima
• Eccita tutte le modalità in modo uguale
• Maggiore throughput di potenza iniziale
• Rapida attenuazione ad alta modalità sulla distanza

• Indotto dalla flessione: Riscaldamento localizzato in corrispondenza di curve strette
• Scurimento fotoindotto: Attenuazione indotta da UV/lunghezza d'onda corta

1. Ispezionare e pulire tutte le interfacce della fibra prima dell'installazione
2. Verificare le giunzioni a bassa potenza prima del funzionamento ad alta potenza
3. Aumentare gradualmente la potenza monitorando le prestazioni
4. Selezionare tipi di fibra appropriati per applicazioni specifiche
5. Implementare tecniche adeguate di avvolgimento e scarico della tensione