Оболочка (волоконная оптика)

Один или несколько слоев материалов с более низким показателем преломления.

Оболочка оптических волокон представляет собой один или несколько слоев материалов с более низким показателем преломления , находящихся в тесном контакте с материалом сердцевины с более высоким показателем преломления.

Оболочка удерживает свет в сердцевине волокна за счет полного внутреннего отражения на границе между сердцевиной и оболочкой. ^[1] Для большинства волокон распространение света внутри оболочки обычно подавляется. Однако некоторые волокна могут поддерживать режимы оболочки , при которых свет распространяется как через оболочку, так и через сердцевину. В зависимости от количества поддерживаемых мод их называют многомодовыми и одномодовыми волокнами. ^[2] Улучшение передачи через волокна за счет применения оболочки было обнаружено в 1953 году голландским ученым Брэмом ван Хилом . ^[3]

История

Тот факт, что передача по волокнам может быть улучшена за счет применения оболочки, был открыт в 1953 году Ван Хилом, который использовал ее для демонстрации передачи изображения через пучок оптических волокон. ^[4] Ранние облицовочные материалы включали масла , воски и полимеры . Лоуренс Э. Кертисс из Мичиганского университета разработал первую стеклянную оболочку в 1956 году, вставив стеклянный стержень в стеклянную трубку с более низким показателем преломления, сплавив их вместе и вытянув композитную структуру в оптическое волокно. ^[4]

Режимы

Мода оболочки — это мода , которая ограничена оболочкой оптического волокна в силу того, что оболочка имеет более высокий показатель преломления , чем окружающая среда , которой является либо воздух, либо первичное полимерное покрытие. ^[5] Эти режимы обычно нежелательны. Современные волокна имеют первичное полимерное покрытие с показателем преломления, немного превышающим показатель преломления оболочки, поэтому свет, распространяющийся в оболочке, быстро ослабляется и исчезает уже после нескольких сантиметров распространения . Исключением является волокно с двойной оболочкой , которое предназначено для поддержки моды как в его внутренней оболочке, так и в сердцевине. ^[6]

Преимущества

При производстве стекловолокна неизбежно возникают неровности поверхности (например, поры и трещины), которые рассеивают свет при ударе и уменьшают общее расстояние прохождения света. Включение стеклянной облицовки значительно снижает затухание, вызванное неровностями поверхности. Это происходит из-за меньшего рассеяния света на границе раздела стекло/стекло, чем на границе стекло/воздух для волокна без оболочки. ^[2] Двумя основными факторами, которые позволяют это сделать, являются меньшее изменение показателя преломления, наблюдаемое между двумя поверхностями стекла, а также неровности поверхности облицовки, не мешающие световым лучам. Включение стеклянной облицовки также является улучшением по сравнению с простым нанесением полимерного покрытия, поскольку стекло, как правило, будет прочнее, однороднее и чище. Кроме того, включение плакирующего слоя также позволяет использовать сердечники из стекловолокна меньшего размера. ^[4] Большинство стеклянных волокон имеют оболочку, которая увеличивает общий внешний диаметр до 125 микрон . ^[7]

Влияние на числовую апертуру

Числовая апертура многомодового оптического волокна является функцией показателей преломления оболочки и сердцевины:

Диаграмма, показывающая, как свет преломляется на границе раздела ядро/оболочка. При этом угол преломления зависит от разницы показателей преломления n сердцевины и оболочки.

${\displaystyle {\rm {{NA}={\sqrt {n_{\rm {core}}^{2}-n_{\rm {clad}}^{2}}}}}}$

Числовая апертура позволяет рассчитать приемный угол падения на границе раздела волокна. ^[5] Это даст максимальный угол, под которым падающий свет может проникнуть в ядро ​​и поддерживать полное внутреннее отражение:

${\displaystyle {\rm {{NA}=\sin(\theta _{A})}}}$

Объединив оба этих уравнения, на диаграмме выше можно увидеть, как является функцией и , где показатель преломления ядра и ${\displaystyle \theta _{A}}$ ${\displaystyle n_{1}}$ ${\displaystyle n_{2}}$ ${\displaystyle n_{1}}$ ${\displaystyle n_{2}}$

${\displaystyle n_{2}}$– показатель преломления оболочки. ^[7]

Недавние улучшения

Из-за относительно большей передачи света сердцевина и оболочка оптоволокна обычно изготавливаются из высокоочищенного диоксида кремния. Определенные примеси могут быть добавлены для придания различных свойств, таких как увеличение дальности передачи или улучшение гибкости волокна. ^[8] За последние несколько лет была проделана значительная работа по улучшению этих свойств.

Рекомендации

 Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 года. (в поддержку MIL-STD-188 ).

1. «Оптические волокна». labman.phys.utk.edu . Проверено 26 мая 2023 г.
2. Златанов, Никола (март 2017 г.). «Введение в теорию волоконной оптики». дои : 10.13140/RG.2.2.29183.20641. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
3. «Волокно 101» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 26 ноября 2019 г.
4. Hecht, Джефф (2004). Город света: история оптоволокна. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. стр. 55–70. ISBN 978-0-19-802676-1. ОСЛК  60543677.
5. Крисп, Джон (2005). Введение в оптоволокно. Барри Дж. Эллиотт. Амстердам: Ньюнес. ISBN 978-0-7506-6756-2. ОСЛК  162130345.
6. Гатак, Аджой; Тьягараджан, К. (1998), «Введение: революция в волоконной оптике», Введение в волоконную оптику , Кембридж: Cambridge University Press, стр. 1–8, doi : 10.1017/cbo9781139174770.002, ISBN 9781139174770, получено 27 ноября 2021 г.
7. «Справочник по FOA для оптоволокна - оптическое волокно» . www.thefoa.org . Проверено 10 апреля 2016 г.
8. Басс, Майкл (2010). Справочник по оптике. МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-163314-7. ОКЛК  904221758.