Memahami Dasar Fiber Optic

Serat optik terbuat dari kaca atau plastik. Sebagian besar kira-kira diameter rambut manusia, dan panjangnya mungkin bermil-mil. Cahaya ditransmisikan di sepanjang pusat serat dari satu ujung ke ujung lainnya, dan sinyal dapat dikenakan. Sistem serat optik lebih unggul dari konduktor logam dalam banyak aplikasi. Keuntungan terbesar mereka adalah bandwidth. Karena panjang gelombang cahaya, dimungkinkan untuk mengirimkan sinyal yang mengandung lebih banyak informasi daripada yang dimungkinkan dengan konduktor logam - bahkan konduktor koaksial. Keunggulan lainnya meliputi:

Isolasi Listrik - Serat optik tidak membutuhkan sambungan pentanahan. Baik pemancar dan penerima diisolasi satu sama lain dan karena itu bebas dari masalah loop arde. Selain itu, tidak ada bahaya percikan api atau sengatan listrik.
Kebebasan dari EMI - Serat optik kebal terhadap gangguan elektromagnetik (EMI), dan mereka sendiri tidak memancarkan radiasi yang menyebabkan gangguan lain.
Kehilangan Daya Rendah - Ini memungkinkan kabel berjalan lebih lama dan amplifier repeater lebih sedikit.
Lebih Ringan dan Lebih Kecil - Serat lebih ringan dan membutuhkan lebih sedikit ruang daripada konduktor logam dengan kapasitas pembawa sinyal yang setara.
Kawat tembaga sekitar 15 kali lebih berat. Serat juga lebih mudah dipasang dan membutuhkan lebih sedikit ruang saluran.

Aplikasi

Beberapa area aplikasi utama serat optik adalah :

Komunikasi - Transmisi suara, data, dan video adalah penggunaan serat optik yang paling umum, dan ini termasuk:

Telekomunikasi
Jaringan area lokal (LAN)
Sistem kendali industri
Sistem Avionik
Sistem komando, kendali, dan komunikasi militer

Penginderaan - Serat optik dapat digunakan untuk mengirimkan cahaya dari sumber jarak jauh ke detektor untuk mendapatkan informasi tekanan, suhu, atau spektral. Serat juga dapat digunakan secara langsung sebagai transduser untuk mengukur sejumlah efek lingkungan, seperti regangan, tekanan, hambatan listrik, dan pH. Perubahan lingkungan mempengaruhi intensitas cahaya, fase dan / atau polarisasi dengan cara yang dapat dideteksi di ujung serat lainnya.

Pengiriman Daya Serat optik dapat memberikan tingkat daya yang sangat tinggi untuk tugas-tugas seperti pemotongan laser, pengelasan, penandaan, dan pengeboran.

Iluminasi - Sekumpulan serat yang dikumpulkan bersama dengan sumber cahaya di salah satu ujungnya dapat menerangi area yang sulit dijangkau - misalnya, di dalam tubuh manusia, dalam hubungannya dengan endoskopi. Juga, mereka dapat digunakan sebagai tanda tampilan atau hanya sebagai penerangan dekoratif.

Kontruksi

Serat optik terdiri dari tiga elemen konsentris dasar: inti, kelongsong, dan lapisan luar.

Inti biasanya terbuat dari kaca atau plastik, meskipun bahan lain kadang-kadang digunakan, tergantung spektrum transmisi yang diinginkan.

Inti adalah bagian serat yang mentransmisikan cahaya. Cladding biasanya terbuat dari bahan yang sama dengan inti, tetapi dengan indeks bias yang sedikit lebih rendah (biasanya sekitar 1% lebih rendah). Perbedaan indeks ini menyebabkan refleksi internal total terjadi pada batas indeks sepanjang serat sehingga cahaya yang diteruskan menuruni serat dan tidak keluar melalui dinding samping.

Lapisan biasanya terdiri dari satu atau lebih lapisan bahan plastik untuk melindungi serat dari lingkungan fisik. Kadang-kadang selubung logam ditambahkan ke lapisan untuk perlindungan fisik lebih lanjut.

Serat optik biasanya ditentukan berdasarkan ukurannya, diberikan sebagai diameter luar inti, kelongsong, dan pelapis. Misalnya, 62,5 / 125/250 akan mengacu pada serat dengan diameter inti 62,5 µm, kelongsong diameter 125 µm, dan lapisan luar dengan diameter 0,25 mm.

Prinsip

Bahan optik dikarakterisasi oleh indeks biasnya, disebut sebagai n. Indeks bias material adalah rasio kecepatan cahaya dalam ruang hampa terhadap kecepatan cahaya dalam material. Ketika seberkas cahaya melewati dari satu bahan ke bahan lainnya dengan indeks bias yang berbeda, balok tersebut dibengkokkan (atau dibiaskan) di antarmuka.

Reflaksi dijelaskan oleh hukum snell

Di mana nI dan nR adalah indeks pembiasan material yang dilalui balok dibiaskan dan I dan R adalah sudut datang dan pembiasan balok. Jika sudut datang lebih besar dari sudut kritis untuk antarmuka (biasanya sekitar 82 ° untuk serat optik), cahaya dipantulkan kembali ke media insiden tanpa kehilangan melalui proses yang dikenal sebagai refleksi internal total).

Mode

Ketika cahaya diarahkan ke serat (karena gelombang mikro dipandu ke pandu gelombang), pergeseran fase terjadi di setiap batas reflektif. Ada sejumlah jalur diskrit terbatas di bawah serat optik (dikenal sebagai mode) yang menghasilkan pergeseran fase konstruktif (dalam fase dan karenanya aditif) yang memperkuat transmisi. Karena setiap mode terjadi pada sudut yang berbeda terhadap sumbu serat saat balok bergerak sepanjang, masing-masing mode bergerak dengan panjang yang berbeda melalui serat dari masukan ke keluaran. Hanya satu mode, mode orde-nol, yang melintasi panjang serat tanpa pantulan dari dinding samping. Ini dikenal sebagai serat mode tunggal. Jumlah mode sebenarnya yang dapat diperbanyak dalam serat optik ditentukan oleh panjang gelombang cahaya dan diameter serta indeks pembiasan inti serat.

Atenuasi

Sinyal kehilangan kekuatan saat disebarkan melalui serat; ini dikenal sebagai atenuasi balok. Atenuasi diukur dalam desibel (dB) dengan hubungan di mana Pin dan Pout mengacu pada daya optik yang masuk dan keluar dari serat. Tabel di bawah ini menunjukkan daya yang biasanya hilang dalam serat untuk beberapa nilai redaman dalam desibel.

Atenuasi serat optik bergantung pada panjang gelombang. Di ujung kurva transmisi, penyerapan multiphoton mendominasi. Atenuasi biasanya dinyatakan dalam dB / km pada panjang gelombang tertentu. Nilai tipikal berkisar dari 10 dB / km untuk serat indeks langkah pada 850 nm hingga sepersepuluh dB / km untuk serat mode tunggal pada 1550 nm.

Ada Beberapa Penyebab Atenuasi Pada Serat Optic

Hamburan Rayleigh - Variasi skala mikroskopis dalam indeks bias bahan inti dapat menyebabkan sebaran sinar yang cukup besar, yang menyebabkan hilangnya daya optik secara substansial. Hamburan Rayleigh bergantung pada panjang gelombang dan kurang signifikan pada panjang gelombang yang lebih panjang. Ini adalah mekanisme kehilangan yang paling penting dalam serat optik modern, umumnya terhitung hingga 90% dari kerugian yang dialami.

Metode produksi saat ini telah mengurangi penyerapan yang disebabkan oleh pengotor (terutama air dalam serat) ke tingkat yang sangat rendah. Di dalam jalur transmisi serat, kerugian penyerapan tidak signifikan.

Pembengkokan - Metode pembuatan dapat menghasilkan pembengkokan kecil dalam geometri serat. Kadang-kadang lengkungan ini akan cukup besar untuk menyebabkan cahaya di dalam inti mengenai antarmuka inti / kelongsong kurang dari sudut kritis sehingga cahaya hilang ke dalam bahan kelongsong. Hal ini juga dapat terjadi jika serat dibengkokkan dalam radius yang rapat (kurang dari, katakanlah, beberapa sentimeter). Sensitivitas tikungan biasanya dinyatakan dalam dB / km hilangnya radius tikungan dan panjang gelombang tertentu.

Bukan Numerik

Bukaan numerik (NA), yang ditunjukkan pada Gambar 4, adalah ukuran sudut maksimum di mana sinar cahaya akan masuk dan dialirkan ke serat. Ini diwakili oleh persamaan berikut:

Penyebaran

Saat pulsa optik bergerak sepanjang serat, mereka melebar atau diperpanjang seiring waktu. Ini disebut dispersi. Karena pulsa pada akhirnya akan menjadi sangat tidak sesuai sehingga mereka mulai saling tumpang tindih dan merusak data, dispersi menetapkan batas atas pada kemampuan pembawa data dari suatu serat. Ada tiga penyebab utama perluasan ini:

Dispersi Kromatik - Panjang gelombang yang berbeda bergerak dengan kecepatan berbeda menuruni serat. Karena sumber cahaya tipikal memberikan daya pada rangkaian atau rentang panjang gelombang, bukan dari garis spektrum diskrit tunggal, pulsa harus menyebar sepanjang serat saat mereka melanjutkan. Laser berkecepatan tinggi yang digunakan dalam komunikasi memiliki spesifikasi keluaran spektral yang sangat sempit, sehingga sangat mengurangi efek dispersi kromatik.

Modal Dispersion - Mode serat yang berbeda mencerminkan sudut yang berbeda saat mereka melanjutkan ke serat. Karena setiap sudut modal menghasilkan panjang jalur yang agak berbeda untuk balok, mode tingkat tinggi mencapai ujung keluaran serat di belakang mode tingkat rendah.

Dispersi Pandu Gelombang - Penyebab kecil penyebaran ini disebabkan oleh geometri serat dan menghasilkan kecepatan perambatan yang berbeda untuk masing-masing mode.

Bandwidth

Bandwidth mengukur kapasitas pembawa data dari serat optik dan dinyatakan sebagai produk dari frekuensi data dan jarak yang ditempuh (MHz-km atau GHz-km, biasanya). Misalnya, serat dengan bandwidth 400-MHz-km dapat mengirimkan 400 MHz untuk jarak 1 km, atau dapat mengirimkan data 20 MHz untuk 20 km. Batas utama bandwidth adalah pelebaran pulsa, yang dihasilkan dari modal dan dispersi kromatik serat. Nilai khas untuk berbagai jenis serat mengikuti:

Kekuatan Transmisi

Jumlah daya yang dapat ditransmisikan oleh serat (tanpa rusak) biasanya dinyatakan dalam kepadatan daya maksimum yang dapat diterima. Kepadatan daya adalah produk dari keluaran daya maksimum laser dan area sinar laser. Misalnya, sinar laser 15-W yang difokuskan pada titik berdiameter 150 µm menghasilkan kepadatan daya sebesar

Keluaran laser berdenyut (biasanya ditentukan dalam milijoule energi per pulsa) pertama-tama harus diubah menjadi daya per pulsa. Misalnya, laser berdenyut yang menghasilkan 50 mJ dalam pulsa 10-ns memberikan daya keluaran sebesar.

Densitas daya kemudian dapat di hitung dari ukuran spot

Untuk mengirimkan tingkat energi maksimum absolut ke bawah serat, permukaan ujung serat harus benar-benar halus dan dipoles serta tegak lurus dengan sumbu serat dan berkas cahaya. Juga, diameter balok tidak boleh lebih besar dari kira-kira setengah dari luas inti (atau diameter inti). Jika pancaran sinar tidak terfokus dengan tepat, sebagian energi dapat tumpah ke dalam selubung, yang dengan cepat dapat merusak serat silika berlapis polimer. Untuk alasan ini, lebih baik menggunakan serat silika berlapis silika dalam aplikasi dengan kepadatan daya yang lebih tinggi.

Jenis Serat

Pada dasarnya ada tiga jenis serat optik: mode tunggal, indeks bertingkat multimode, dan indeks langkah multimode. Mereka dicirikan oleh cara cahaya bergerak menuruni serat dan bergantung pada panjang gelombang cahaya dan geometri mekanis serat. Contoh bagaimana mereka menyebarkan cahaya.

Mode Tunggal

Hanya mode orde-nol fundamental yang ditransmisikan dalam serat mode tunggal. Berkas cahaya bergerak langsung melalui serat tanpa refleksi sama sekali dari dinding samping selubung inti. Serat mode tunggal dicirikan oleh nilai cutoff panjang gelombang, yang bergantung pada diameter inti, NA, dan panjang gelombang operasi. Di bawah panjang gelombang cutoff, mode tingkat tinggi juga dapat merambat, yang mengubah karakteristik serat.

Karena serat mode tunggal hanya menjalar ke mode dasar, dispersi modal (penyebab utama tumpang tindih pulsa) dieliminasi. Dengan demikian, bandwidth jauh lebih tinggi dengan serat mode tunggal daripada serat multimode. Ini berarti bahwa pulsa dapat ditransmisikan lebih dekat bersama dalam waktu tanpa tumpang tindih. Karena bandwidth yang lebih tinggi ini, serat mode tunggal digunakan di semua sistem komunikasi jarak jauh modern. Diameter inti tipikal antara 5 dan 10 µm.

Jumlah mode sebenarnya yang dapat disebarkan melalui serat bergantung pada diameter inti, bukaan numerik, dan panjang gelombang cahaya yang ditransmisikan. Ini dapat digabungkan ke dalam parameter frekuensi yang dinormalisasi atau nomor V, dimana a adalah jari-jari inti, adalah panjang gelombang, dan n adalah indeks inti dan kelongsong. Kondisi untuk operasi mode tunggal adalah:

Mungkin yang lebih penting dan berguna adalah panjang gelombang pemutusan. Ini adalah panjang gelombang di bawah serat yang memungkinkan perambatan beberapa mode dan dapat dinyatakan sebagai:

Serat biasanya dipilih dengan panjang gelombang pemutusan sedikit di bawah panjang gelombang operasi yang diinginkan. Untuk laser yang biasanya digunakan sebagai sumber (dengan panjang gelombang keluaran antara 850 dan 1550 nm), diameter inti dari serat mode tunggal berada dalam kisaran 3 sampai 10 jum.

Indeks bertingkat multimode

Diameter inti serat multimode jauh lebih besar daripada serat mode tunggal. Akibatnya, mode tingkat tinggi juga disebarkan.

Inti dalam serat indeks bertingkat memiliki indeks bias yang secara radial menurun terus menerus dari pusat ke antarmuka kelongsong. Hasilnya, cahaya bergerak lebih cepat di tepi inti daripada di tengah. Mode berbeda berjalan di jalur melengkung dengan waktu tempuh yang hampir sama. Ini sangat mengurangi penyebaran modal dalam serat.

Akibatnya, serat indeks bergradasi memiliki lebar pita yang secara signifikan lebih besar daripada serat indeks langkah, tetapi masih jauh lebih rendah daripada serat mode tunggal. Diameter inti tipikal dari serat indeks bergradasi adalah 50, 62,5, dan 100 jum. Aplikasi utama untuk serat indeks bergradasi adalah dalam komunikasi jarak menengah, seperti jaringan area lokal.

Indeks langkah multimode

Inti dari serat indeks langkah memiliki indeks bias seragam hingga antarmuka kelongsong di mana indeks berubah secara bertahap. Karena mode yang berbeda dalam serat indeks langkah menempuh panjang jalur yang berbeda dalam perjalanannya melalui serat, jarak transmisi data harus dijaga agar tetap pendek untuk menghindari masalah penyebaran moda yang cukup besar.

Serat indeks langkah tersedia dengan diameter inti 100 hingga 1500 jum. Mereka sangat cocok untuk aplikasi yang membutuhkan kepadatan daya tinggi, seperti pengiriman daya laser medis dan industri.

Beberapa jasa kami sediakan sebagai berikut: