Wielomodowe światłowody: Kluczowe zasady i ograniczenia wydajności

Światłowody, jako kluczowe elementy falowodowe optyczne, są coraz częściej wykorzystywane w telekomunikacji, spektroskopii, oświetleniu i zastosowaniach czujnikowych. Zrozumienie ich zasad działania i technik optymalizacji wydajności jest niezbędne do maksymalizacji ich potencjału w praktycznych implementacjach.

Włókna optyczne działają jako falowody, wykorzystując całkowite wewnętrzne odbicie (TIR) do ograniczenia i kierowania światła wewnątrz struktur stałych lub ciekłych. Najbardziej rozpowszechniony typ włókna — włókno skokowe — składa się z rdzenia o wyższym współczynniku załamania otoczonego płaszczem. Kiedy światło uderza w interfejs rdzeń-płaszcz pod kątem przekraczającym kąt krytyczny, następuje TIR, zatrzymując światło w rdzeniu.

Kąt akceptacji (θ ^acc ) określa maksymalny kąt padania dla TIR i jest obliczany za pomocą prawa Snella:

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

gdzie n ^core i n ^clad reprezentują odpowiednio współczynniki załamania rdzenia i płaszcza, a n oznacza współczynnik załamania ośrodka zewnętrznego. Producenci zazwyczaj charakteryzują zdolność zbierania światła za pomocą apertury numerycznej (NA):

NA = √(n ^core ² - n ^clad ²)

Dla wielordzeniowych włókien wielomodowych skokowych, ta formuła zapewnia precyzyjne wartości NA. Określenie eksperymentalne za pomocą pomiaru profilu wiązki w polu dalekim (identyfikacja kąta, w którym natężenie spada do 5% maksimum) oferuje alternatywną weryfikację.

Każda potencjalna ścieżka światła przez włókno stanowi tryb prowadzony. Geometria włókna i właściwości materiału określają liczbę trybów, od jednomodowych do tysięcy trybów. Znormalizowana częstotliwość (liczba V) szacuje obsługiwane tryby:

V = (2πa/λ) × NA

gdzie a to promień rdzenia, a λ to długość fali w wolnej przestrzeni. Włókna wielomodowe wykazują wartości V >>1 (np. V≈40,8 dla włókna 50µm/0,39NA przy 1,5µm), obsługując około V²/2 trybów. Włókna jednomodowe utrzymują V<2.405 dzięki mniejszym rdzeniom i niższej NA.

• Interakcje fononów wewnętrznych w stopionym krzemionce dominują powyżej 2000 nm
• Zanieczyszczenia, takie jak jony OH⁻, tworzą piki absorpcji przy 1300 nm i 2,94µm
• Inżynieria domieszek umożliwia dostosowane okna transmisyjne

• Rozpraszanie Rayleigha (∝1/λ⁴) dominuje przy krótszych długościach fal
• Niedoskonałości z produkcji lub obsługi zwiększają rozpraszanie zewnętrzne

• Średnica wiązki <70% rozmiaru rdzenia
• Preferuje tryby niskiego rzędu
• Zmniejszona wrażliwość na zginanie
• Wyższa gęstość mocy rdzenia

• Wiązka przekracza wymiary rdzenia
• Wzbudza wszystkie tryby jednakowo
• Wyższa początkowa przepustowość mocy
• Szybkie tłumienie trybów wysokich na odległość

• Wywołane zginaniem: Lokalne nagrzewanie przy ostrych zgięciach
• Fotociemnienie: Tłumienie wywołane UV/krótką falą

1. Sprawdź i wyczyść wszystkie interfejsy włókien przed instalacją
2. Zweryfikuj połączenia przy niskiej mocy przed pracą o dużej mocy
3. Stopniowo zwiększaj moc, monitorując wydajność
4. Wybierz odpowiednie typy włókien dla konkretnych zastosowań
5. Zastosuj odpowiednie techniki zwijania i odciążania