Principiul de funcionare[modificare]

O fibr optic este un ghid de und dielectric cilindric ce transmite lumina de-a lungul axei sale, prin procesul de reflexie intern total. Fibra const dintr-un miez nconjurat de un strat de substan (teac). Pentru a pstra semnalul optic n miez, indicele de refracie al miezului trebuie s fie mai mare dect cel al tecii. Limita dintre miez i teac poate fi fie abrupt, n fibra cu salt de indice, fie gradat, n fibra cu indice gradat.

Indicele de refracie[modificare]

Articol principal: Indice de refracie.

Indicele de refracie este o msur a vitezei luminii printr-un material. Viteza de deplasare a luminii n vid este de 300 de milioane de metri pe secund. Indicele de refracie al unui mediu se calculeaz mprind viteza luminii n vid la viteza luminii n mediul respectiv. Deci, prin definiie, indicele de refracie al vidului este 1. Valoarea tipic pentru teaca unei fibre optice este 1.46. Valoarea miezului este de regul 1,48. Cu ct este mai mare indicele de refracie, cu att mai ncet se propag lumina prin mediu. Semnalul din fibra optic va cltori, astfel, cu o vitez de aproximativ 200 de milioane de metri pe secund, propagndu-se astfel la 1000 de kilometri distan n decurs de 5 milisecunde. Astfel, un apel telefonic transportat pe fibr optic ntre Sydney i New York, pe o distan de 12000 kilometri va avea o ntrziere minim absolut de 60 de milisecunde (o aisprezecime de secund) ntre momentul cnd un interlocutor vorbete i cellalt aude (desigur, ruta urmat de apel nu va fi cea mai scurt, i n plus mai apar ntrzieri din cauza comutaiei echipamentului de comunicaie i prin procesul de codificare i decodificare a vocii).

Reflexia intern total[modificare]

Cnd lumina trece printr-un mediu dens i ntlnete o limit de demarcaie cu unghi abrupt (mai mare dect unghiul critic al suprafeei), lumina va fi reflectat n ntregime. Efectul este folosit n fibra optic pentru a pstra lumina n miez. Lumina se deplaseaz prin fibr reflectndu-se de o parte i de alta a limitei cu teaca. Deoarece lumina trebuie s loveasc limita de demarcaie la un unghi mai mare dect cel critic, doar lumina care intr n fibr ntr-o anumit gam de unghiuri poate traversa fibra fr a iei din ea. Aceast gam de unghiuri se numete con de acceptan al fibrei. Dimensiunile conului de acceptan depind de diferena de indice de refracie ntre miez i teac.

n termeni simpli, exist un unghi maxim fa de axa fibrei sub care lumina poate intra n fibr astfel nct s se propage prin miez. Sinusul acestui unghi maxim este deschiderea numeric a fibrei. Fibra cu deschidere numeric mare necesit mai puin precizie la tiere i la lucru dect cea cu deschidere mic. Fibra monomodal are deschidere numeric mic.

Fibra multimodal[modificare] Propagarea luminii prin fibra optic multimodal.Un laser reflectndu-se dintr-un baston de sticl acrilic, ilustrnd reflexia intern total a luminii ntr-o fibr optic multimodal.Fibra optic cu diametru mare al miezului (mai mare de 10 micrometri) poate fi analizat cu ajutorul opticii geometrice. Aceast fibr se numete fibr multimod. ntr-o fibr optic multimod cu salt de indice, razele de lumin sunt conduse de-a lungul miezului fibrei prin reflexie intern total. Razele ce ajung la suprafaa de contact miez-teac cu unghi mare (relativ la normala la suprafa), mai mare dect unghiul critic al acestei suprafee, sunt complet reflectate. Unghiul critic (unghiul minim pentru reflexia intern total) este determinat de diferena ntre indicele de refracie al miezului i cel al tecii. Razele care ajung la suprafaa de separare sub un unghi mic sunt refractate din miez n teac, i deci nu transmit lumina (i deci informaia) de-a lungul fibrei. Unghiul critic determin unghiul de acceptan al fibrei, adesea dat ca apertur numeric. O apertur numeric mare permite luminii s se propage de-a lungul fibrei att n raze apropiate de ax, ct i n raze la diferite unghiuri. Aceast apertur numeric mare crete, ns, cantitatea de dispersie, ntruct razele la unghiuri diferite au drumuri optice diferite i parcurg fibra n durate de timp diferite. O apertur numeric mic ar fi, astfel, de dorit.

Tipuri de fibr optic.n fibra cu indice gradat, indicele de refracie al miezului scade treptat de la ax la teac. Aceasta face razele de lumin s se ndoaie uor pe msur ce se apropie de teac, n loc s se reflecte abrupt la suprafaa de contact miez-teac. Drumurile curbate astfel reduc dispersia multici deoarece razele cu unghi mare trec mai mult prin zonele periferice ale miezului, cu indice de refracie mic, i nu prin centrul cu indice de refracie mare. Profilul indicelui de refracie este ales pentru a minimiza diferena de vitez de propagare a diverselor raze din fibr. Profilul ideal este foarte apropiat de o relaie parabolic ntre indicele de refracie i distana fa de ax.

Fibra monomodal[modificare] Structura unei fibre optice monomodale tipice. 1. Miez: 8 m diametru 2. Teac: 125 m dia. 3. Tampon: 250 m dia. 4. nveli: 400 m dia.Fibrele optice cu un diametru al miezului mai mic dect de zece ori lungimea de und a luminii propagate nu pot fi modelate cu ajutorul opticii geometrice. Trebuie, n schimb, s se analizeze structura sa electromagnetic, prin rezolvarea ecuaiilor lui Maxwell reduse la ecuaia undei electromagnetice. Analiza electromagnetic ar putea fi necesar i pentru a nelege comportamente ce au loc atunci cnd lumina coerent se propag printr-o fibr multimodal. Ca ghid de und optic, fibra suport unul sau mai multe moduri de traversare prin care lumina se poate propaga prin fibr. Fibra ce susine doar un mod se numete fibr monomodal sau monomod. Comportamentul fibrei multimodale poate fi i el modelat cu ajutorul ecuaiei undei electromagnetice, ceea ce arat c o astfel de fibr suport mai multe moduri de propagare. Rezultatul modelrii fibrelor multimodale cu optic electromagnetic se apropie de prediciile opticii geometrice, dac fibra este suficient de mare i suport un numr mare de moduri.

Analiza ghidului de und arat c energia luminii n fibr nu este complet pstrat n miez. n schimb, mai ales la fibra monomodal, o fraciune semnificativ de energie se transfer tecii sub form de unde evanescente.

Cel mai frecvent folosit tip de fibr monomodal are un diametru al miezului de 810 micrometri i este gndit pentru a fi utilizat la lungimi de und vizibile apropiate de infrarou. Structura modului depinde de lungimea de und a luminii folosite, astfel c aceast fibr suport de fapt un numr mic de moduri adiionale la lungimi de und vizibile. Fibra multimodal, prin comparaie, este produs cu diametru al miezului de la 50 micrometri pn la cteva sute de micrometri. Frecvena normalizat V pentru aceast fibr ar trebui s fie mai mic dect primul zero al funciei Bessel J0 (aproximativ 2,405).

Fibre optice speciale[modificare]

Se produc i unele fibre optice speciale cu miez necilindric sau/i cu teac necilindric, de regul cu seciune transversal eliptic sau dreptunghiular. Aceste fibre sunt proiectate astfel pentru a pstra polarizarea luminii, de exemplu.

Fibra din cristal fotonic este realizat cu un ablon regulat de variaie a indicelui de refracie (adesea n form de guri cilindrice care merg de-a lungul lungimii fibrei). Astfel de fibre folosesc efectele de difracie n loc de (sau pe lng) reflexia intern total, pentru a pstra lumina n miezul fibrei. Proprietile fibrei pot fi modificate ntr-o varietate larg de aplicaii.

Mecanisme de atenuare[modificare] Atenuarea luminii cu ZBLAN i fibre din silicatAtenuarea n fibra optic, denumit i pierdere de transmisie, reprezint reducerea de intensitate a razei de lumin n raport cu distana parcurs printr-un mediu de transmisie. Coeficienii de atenuare utilizeaz n general ca unitate dB/km din cauza calitii relativ mari a transparenei mediilor optice moderne. Mediul este de regul o fibr din sticl de silicat care pstreaz raza de lumin incident n interior. Atenuarea este un factor important de limitare a transmisiei unui semnal pe distane mari. Astfel, s-au fcut numeroase cercetri att pentru limitarea atenurii, ct i pentru maximizarea amplificrii semnalului optic. Atenuarea este cauzat n primul rnd de mprtiere i absorbie.

mprtierea luminii[modificare]

Reflexie specular

Reflexie difuzPropagarea luminii prin miezul unei fibre optice se bazeaz pe reflexia intern total a undei de lumin. Suprafeele neregulate, chiar i la nivel molecular, pot reflecta razele de lumin n direcii aleatoare. Aceasta se numete reflexie difuz sau mprtiere, i este caracterizat de regul de o mare varietate de unghiuri de reflexie.

mprtierea luminii depinde de lungimea de und a luminii mprtiate. Astfel apar limite ale scrii de vizibilitate, n funcie de frecvena undei incidente i de dimensiunea fizic a centrului de mprtiere, care este de regul o trstur microstructural specific. ntruct lumina vizibil are o lungime de und de ordinul sutelor de nanometri i micronilor, centrele de mprtiere vor avea dimensiuni similare.

Astfel, atenuarea provine din mprtierea incoerent a luminii pe suprafeele de contact interne. n materiale (poli)cristaline cum ar fi metalele sau ceramica, pe lng pori, majoritatea suprafeelor interne sunt de forma limitelor intergranulare care separ regiuni mici de cristal. Dac dimensiunea centrului de mprtiere se reduce sub dimensiunea lungimii de und, mprtierea nu mai are o amploare semnificativ. Acest fenomen a dat natere produciei de materiale ceramice transparente.

Similar, mprtierea luminii n fibr de sticl deste cauzat de neregularitile la nivel molecular ale structurii sticlei. Sticla este vzut de unii fizicieni ca un simplu caz-limit de solid policristalin. n acest context, domenii ce prezint diverse grade de ordine pe scar redus devin blocurile de construcie ale metalelor i aliajelor, precum i sticlei i ceramicii. Exist defecte microstructurale distribuite printre i n cadrul acestor domenii, defecte ce furnizeaz majoritatea punctelor ideale pentru apariia mprtierii luminii. Acelai fenomen se observ ca factor limitator al transparenei domurilor de rachete cu infraroii.[18]

La puteri optice mari, mprtierea poate fi cauzat i de procesele optice neliniare din fibr.[19][20]

Absorbia razelor ultraviolete, vizibile i infraroii[modificare]

Pe lng mprtierea luminii, atenuarea poate aprea i din cauza absorbiei selective a anumitor lungimi de und, ntr-o manier similar cu cea rspunztoare pentru apariia culorilor obiectelor:

1) La nivel electronic, depinde dac orbitalii electronilor sunt spaiai de aa natur nct s poat absorbi o cuant de lumin de o anumit lungime de und n spectrul ultraviolet sau vizibil. Aceasta d natere la proprietatea de culoare.

2) La nivel atomic sau molecular, depinde de frecvenele de vibraie molecular sau de legturile chimice, de ct de apropiai sunt atomii ntre ei i moleculele ntre ele i dac atomii sau moleculele prezint ordine pe scar mare. Aceti factori vor determina capacitatea materialului de a transmite lungimi de und mai mari (n spectrul infrarou, radio i cel al microundelor).

Designul oricrui dispozitiv transparent impune alegerea materialelor pe baza cunoaterii proprietilor i limitrilor lor. Caracteristicile de absorbie ale structurilor cristaline observate n regiunile de joas frecven (infrarou mediu spre infrarou ndeprtat) definesc limita de transparen la lungime mare de und a materialului. Aceste caracteristici sunt rezultatul cuplrilor interactive dintre micarea vibraiilor termice ale atomilor constitueni i moleculelor structurii solidului i radiaiei luminoase incidente. Astfel, toate materialele sunt limitate de regiuni de absorbie cauzate de vibraiile moleculare i atomice din infraroul ndeprtat (\lambda;>10 m). Modurile normale de vibraie ntr-un solid cristalin.Astfel, absorbia multifoton are loc cnd doi sau mai muli fotoni interacioneaz simultan pentru a produce momente de dipol electric cu care radiaia incident se poate cupla. Aceti dipoli pot absorbi energie din radiaia incident, ajungnd la o cuplare maxim cu radiaia atunci cnd frecvena este egal cu modul fundamental de oscilaie al dipolului molecular (ca n cazul legturii Si-O) din infraroul ndeprtat, sau cu una dintre armonicele sale.

Absorbia selectiv de lumin infraroie de ctre un anume material are loc deoarece frecvena aleas pentru razele de lumin este aceeai frecven (sau un multiplu ntreg al frecvenei) la care vibreaz particulele acelui material. ntruct atomi i molecule diferite au frecvene naturale de vibraie diferite, toate vor absorbi selectiv frecvene diferite (sau poriuni diferite de spectru) de lumin infraroie.Reflexia i transmisia undelor de lumin au loc pentru c frecvenele undelor de lumin nu sunt frecvenele naturale de rezonan ale obiectelor. Cnd lumina infraroie la aceste frecvene lovete un obiect, energia este fie reflectat, fie transmis.