Çok Modlu Fiber Optik Temel İlkeler ve Performans Sınırları

Kritik optik dalga kılavuzu bileşenleri olarak fiber optikler, telekomünikasyon, spektroskopi, aydınlatma ve sensör uygulamalarında giderek daha fazla kullanılmaktadır. Pratik uygulamalarda potansiyellerini en üst düzeye çıkarmak için operasyonel ilkelerini ve performans optimizasyon tekniklerini anlamak esastır.

Optik fiberler, ışığı katı veya sıvı yapılar içinde sınırlamak ve yönlendirmek için toplam iç yansımayı (TİY) kullanarak dalga kılavuzu olarak işlev görür. En yaygın fiber türü olan - basamak indeksli fiber - daha yüksek bir kırılma indeksine sahip bir çekirdekten ve onu çevreleyen bir kaplamadan oluşur. Işık, çekirdek-kaplama arayüzüne kritik açıyı aşan bir açıyla çarptığında, TİY meydana gelir ve ışığı çekirdek içinde hapseder.

Kabul açısı (θ ^acc ), TİY için maksimum gelen açıyı belirler ve Snell Yasası kullanılarak hesaplanır:

θ ^acc = arcsin(√(n ^çekirdek ² - n ^kaplama ²) / n)

burada n ^çekirdek ve n ^kaplama sırasıyla çekirdek ve kaplama kırılma indekslerini temsil eder ve n, dış ortamın kırılma indeksini belirtir. Üreticiler tipik olarak ışık toplama kapasitesini sayısal açıklık (NA) ile karakterize eder:

NA = √(n ^çekirdek ² - n ^kaplama ²)

Büyük çekirdekli basamak indeksli çok modlu fiberler için bu formül, kesin NA değerleri sağlar. Uzak alan ışın profili ölçümü (yoğunluğun maksimumun %5'ine düştüğü açıyı belirleme) yoluyla deneysel belirleme, alternatif doğrulama sunar.

Bir fiberden geçen her potansiyel ışık yolu, yönlendirilmiş bir modu oluşturur. Fiber geometrisi ve malzeme özellikleri, tek moddan binlerce moda kadar değişen mod sayısını belirler. Normalleştirilmiş frekans (V-sayısı), desteklenen modları tahmin eder:

V = (2πa/λ) × NA

burada a çekirdek yarıçapı ve λ serbest uzay dalga boyudur. Çok modlu fiberler, V-değerleri >>1 (örneğin, 1.5µm'de 50µm/0.39NA fiber için V≈40.8) sergileyerek yaklaşık V²/2 modu destekler. Tek modlu fiberler, daha küçük çekirdekler ve daha düşük NA ile V<2.405'i korur.

• Erimiş silikada içsel fonon etkileşimleri 2000nm'nin ötesinde baskındır
• OH⁻ iyonları gibi kirleticiler, 1300nm ve 2.94µm'de soğurma tepeleri oluşturur
• Katkı maddesi mühendisliği, özelleştirilmiş iletim pencerelerini mümkün kılar

• Rayleigh saçılması (∝1/λ⁴) daha kısa dalga boylarında baskındır
• Üretim veya işleme hataları, dışsal saçılmayı artırır

• Işın çapı <70% çekirdek boyutu
• Düşük mertebeden modları tercih eder
• Azaltılmış bükülme hassasiyeti
• Daha yüksek çekirdek güç yoğunluğu

• Işın, çekirdek boyutlarını aşar
• Tüm modları eşit olarak uyarır
• Daha yüksek ilk güç çıkışı
• Mesafe boyunca hızlı yüksek mod zayıflaması

• Bükülmeden kaynaklanan: Sıkı bükülmelerde lokalize ısıtma
• Foto-kararma: UV/kısa dalga boyu kaynaklı zayıflama

1. Kurulum öncesi tüm fiber arayüzlerini inceleyin ve temizleyin
2. Yüksek güçte çalışmadan önce ek yerlerini düşük güçte doğrulayın
3. Performansı izlerken gücü kademeli olarak artırın
4. Belirli uygulamalar için uygun fiber türlerini seçin
5. Uygun sarma ve gerilim azaltma tekniklerini uygulayın