फाइबर ऑप्टिक्स और फाइबर ऑप्टिक केबलों का उपयोग प्रकाश ऊर्जा और जानकारी को छोटी या लंबी दूरी पर प्रसारित करने के लिए किया जाता है। पिछले कुछ दशकों में, फाइबर ऑप्टिक्स को सेमीकंडक्टर लेजर डायोड और ऑप्टिकल रिसीवर के साथ जोड़ा गया है ताकि फाइबर ऑप्टिक संचार प्रणालियों की तेजी से विकास को सक्षम किया जा सके। एक ऑप्टिकल फाइबर एक गोलाकार क्रॉस-सेक्शन ढांकता हुआ वेवगाइड है जिसमें एक कोर, कोर के चारों ओर एक गाढ़ा क्लैडिंग और थोड़ा कम अपवर्तक सूचकांक (लगभग 1%) होता है। ऑप्टिकल फाइबर आमतौर पर जियो 2 जैसे डोपेंट के साथ सिलिकॉन डाइऑक्साइड से बने होते हैं, जो सिलिकॉन डाइऑक्साइड के अपवर्तक सूचकांक को बदलता है। फाइबर ऑप्टिक केबल एक सुरक्षात्मक परत में फाइबर को घेरते हैं जो फाइबर को संभालना आसान बनाता है, आसन्न फाइबर के बीच क्रॉसस्टॉक को कम करता है, और फाइबर को नुकसान को रोकता है जब इसे किसी न किसी सतह के खिलाफ दबाया जाता है। प्रकाश संचरण के फायदों के अलावा, फाइबर कोर के भीतर एक छोटे से क्षेत्र में प्रकाश के कारावास ने फाइबर लेजर और फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर के विकास की सुविधा प्रदान की है।
फाइबर ऑप्टिक्स के मूल सिद्धांत
अंजीर। 1 महत्वपूर्ण कोण और टीआईआर (बाएं) के योजनाबद्ध। महत्वपूर्ण कोण से अधिक कोण पर कोर-क्लैडिंग इंटरफ़ेस पर प्रकाश विकिरणित प्रकाश फाइबर (दाएं) के मूल के अंदर फंस गया है। कोण (), एनए और अपवर्तक सूचकांक प्राप्त करने के बीच संबंध।
चित्रा 1 घटना प्रकाश की दिशा को दर्शाता है क्योंकि यह एक प्रकाश-सूजन माध्यम (यानी, n2
एक ऑप्टिकल फाइबर एक कोर के साथ एक गोलाकार ढांकता हुआ वेवगाइड है जिसमें क्लैडिंग की तुलना में अधिक अपवर्तक सूचकांक होता है। जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, यदि TIR की कोणीय स्थिति संतुष्ट है, तो प्रकाश कोर में सीमित हो जाएगा। एक ऑप्टिकल फाइबर के एनए को कोर में टीआईआर घटना प्रकाश के अधिकतम कोण () के अधिकतम कोण के रूप में परिभाषित किया गया है। प्रकाश प्रकाश को केंद्रित करने के लिए एक ऑप्टिकल फाइबर की क्षमता का एक गुणात्मक उपाय है, और यह भी इंगित करता है कि फाइबर में प्रकाश को जोड़ा करना कितना आसान है। एक ऑप्टिकल फाइबर की ज्यामिति और संरचना असतत विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों या फाइबर मोड के सेट को निर्धारित करती है जो फाइबर के माध्यम से फैल सकती है। मोड दो व्यापक श्रेणियों में आते हैं: विकिरणित और आयोजित मोड। फाइबर ना के निर्दिष्ट कोण के बाहर उत्सर्जित प्रकाश विकिरण मोड को उत्तेजित करेगा।
ये मोड ऊर्जा को कोर से बाहर ले जाते हैं और इसे जल्दी से नष्ट कर देते हैं। फाइबर के एनए के भीतर उत्सर्जित प्रकाश आमतौर पर आयोजित मोड का उत्पादन करता है जो कोर तक सीमित होते हैं। ये मोड फाइबर के साथ ऊर्जा का प्रचार करते हैं, सूचना और शक्ति को प्रसारित करते हैं। यदि एक ऑप्टिकल फाइबर का मूल काफी बड़ा है, तो यह एक ही समय में कई चालन मोड का समर्थन कर सकता है, यानी, मल्टीमोड प्रसार। जब प्रकाश एक ऑप्टिकल फाइबर में घटना होती है, तो मोड घटना की स्थिति (जैसे, इनपुट शंकु कोण, स्पॉट आकार, अक्षीय केंद्र) के आधार पर अलग -अलग डिग्री के लिए उत्साहित होते हैं और स्थानिक वितरण की एक विस्तृत विविधता का प्रदर्शन कर सकते हैं। एक लेजर के अनुप्रस्थ मोड की तरह, एक ऑप्टिकल फाइबर के सबसे कम-क्रम मोड में एक निकट-गॉसियन स्थानिक वितरण होता है और इसलिए कई समान लाभ होते हैं। यही कारण है कि इसे अक्सर ऑप्टिकल फाइबर में एकल मोड ट्रांसमिशन बनाए रखने की उम्मीद की जाती है। एक फाइबर का सामान्यीकृत आवृत्ति पैरामीटर (जिसे वी-नंबर के रूप में भी जाना जाता है) एक बहुत ही उपयोगी तकनीकी पैरामीटर है जो फाइबर के एनए और कोर के त्रिज्या के आधार पर किसी दिए गए तरंग दैर्ध्य पर मोड की संख्या को व्यक्त करता है।
चित्रा 2 एक क्वार्ट्ज फाइबर (बाएं) में विशिष्ट वर्णक्रमीय क्षीणन। जैसा कि फाइबर के साथ प्रकाश यात्रा करता है, फैलाव समय डोमेन (शीर्ष दाएं) में अलग -अलग प्रकाश दालों को व्यापक बनाने का कारण बनता है। सूचना बिट्स की एक धारा का प्रतिनिधित्व करने वाले कई दालों का उदाहरण जो प्रसार (नीचे दाएं) के बाद फैलाव के कारण अपरिचित हो जाता है।
ऑप्टिकल पावर एक ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से प्रसार और अवशोषण और बिखरने के नुकसान के कारण फाइबर की लंबाई के साथ तेजी से फैलता है (चित्र 2 देखें)। फाइबर ऑप्टिक संचार प्रणाली में क्षीणन सबसे महत्वपूर्ण कारक है और सीधे संकेत के स्तर को प्रभावित करता है जो प्राप्त किया जा सकता है। एनआईआर और विज़ क्षेत्रों में, शुद्ध सिलिका का छोटा अवशोषण हानि एफआईआर और यूवी में अवशोषण बैंड की पूंछ के कारण होता है। अशुद्धियां, विशेष रूप से हाइड्रॉक्साइड आयनों के रूप में पानी, वाणिज्यिक ऑप्टिकल फाइबर में अवशोषण का एक अधिक प्रमुख स्रोत हैं। फाइबर शुद्धता में हाल के सुधारों ने 0 के क्रम में क्षीणन हानि को कम कर दिया है। 1 db/km। फाइबर को ठीक होने पर फाइबर में छोटे अपवर्तक सूचकांक में उतार -चढ़ाव के रूप में प्रकीर्णन हानि भी हो सकती है और कोर व्यास और ज्यामिति अनियमित होते हैं।
एक ऑप्टिकल फाइबर की बैंडविड्थ इसकी डेटा ट्रांसमिशन दर निर्धारित करती है। एक ऑप्टिकल फाइबर के बैंडविड्थ को सीमित करने वाले तंत्र को फैलाव कहा जाता है। फैलाव हल्के दालों का व्यापक होना है जो फाइबर के साथ फैलने के साथ ही होता है। नतीजा यह है कि एक नाड़ी दूसरे में फैली हुई है और जानकारी अप्रभेद्य हो जाती है (चित्र 2 देखें)।
फैलाव बैंडविड्थ और दूरी को सीमित करता है जिस पर जानकारी प्रसारित की जा सकती है। दो मुख्य प्रकार के फैलाव हैं: इंट्रा-मोडल फैलाव और अंतर-मोडल फैलाव। इंट्रा-मोडल फैलाव के दो अलग-अलग प्रकार हैं: क्रोमैटिक फैलाव और ध्रुवीकरण मोड फैलाव। क्रोमैटिक फैलाव केवल तरंग दैर्ध्य के साथ बदलते सामग्री के अपवर्तक सूचकांक का परिणाम है। ध्रुवीकरण मोड फैलाव ऑर्थोगोनल ध्रुवीकरण मोड के कारण होता है, जो कि फाइबर में अलग -अलग गति से यात्रा कर रहा है। इंटरमॉडल फैलाव इसलिए होता है क्योंकि विभिन्न प्रसार मोड अलग -अलग गति से यात्रा करते हैं। इसलिए, इंटरमॉडल फैलाव केवल मल्टीमोड फाइबर पर लागू होता है।
चित्रा 3 एक ऑप्टिकल फाइबर में ध्रुवीकरण नियंत्रण अलग -अलग दिशाओं से फाइबर को निचोड़कर ट्रिगर किया गया।
सिंगल-मोड फाइबर दो ऑर्थोगोनल रूप से ध्रुवीकृत मोड से युक्त मोड का समर्थन करते हैं। यह फाइबर कोर के क्रॉस-सेक्शन की विषमता का परिणाम है। आमतौर पर, बाहरी तनाव यादृच्छिक होते हैं, और परिणामस्वरूप प्रेरित birefringence ध्रुवीकरण राज्यों को परेशान या यादृच्छिक बनाने में मदद करता है। विशेष फाइबर, जिसे पूर्वाग्रह-संरक्षण फाइबर कहा जाता है, उनकी लंबाई पर एक सुसंगत birefringence पैटर्न का उत्पादन करता है। यह फाइबर की ज्यामिति और उन सामग्रियों को अनुकूलित करके प्राप्त किया जाता है जो एक दिशा में बड़ी मात्रा में तनाव पैदा करते हैं। यह बड़ा प्रेरित द्विध्रुवीय यादृच्छिक द्विदिश की तुलना में हावी है, जिससे फाइबर के भीतर प्रसार के दौरान ध्रुवीकरण की स्थिति को बनाए रखा जा सकता है। एक ऑप्टिकल फाइबर में ध्रुवीकरण की स्थिति को नियंत्रित करना एक वेवप्लेट को लागू करके मुक्त-अंतरिक्ष नियंत्रण के अनुरूप है जो दो ऑर्थोगोनल ध्रुवीकरण राज्यों के चरण को बदलने का कारण बनता है। यह फाइबर के तनाव प्रेरित द्विदिश द्वारा प्राप्त किया जाता है, जो देरी का कारण बनता है, जिसके परिणामस्वरूप वेवगाइड आधारित वेवप्लेट होता है। एक समान ध्रुवीकरण उपकरण, जिसमें फाइबर के चारों ओर घूमने वाले एक फाइबर स्क्वीज़र शामिल हैं, को चित्र 3 में दिखाया गया है। ऑप्टिकल फाइबर पर दबाव लागू करना रैखिक बायरफ्रिंगेंस का उत्पादन करता है, प्रभावी रूप से एक फाइबर ऑप्टिक वेवगाइड का निर्माण करता है जो दबाव के साथ भिन्न होता है।
