Почему показатель преломления оптоволокна обычно составляет около 1,44? Что определяет это число?
1. Почему показатель преломления оптического волокна обычно составляет около 1.44 ?
Показатель преломления оптического волокна (в основном эффективный показатель преломления или групповой показатель преломления) составляет около 1.44 , что определяется физико-химическими свойствами основного материала, используемого при его изготовлении:
- Доминирование диоксида кремния ( \text{SiO}_2 ) : Большинство современных коммуникационных волокон (таких как одномодовые и многомодовые волокна) изготовлены из высокочистого стекла на основе диоксида кремния. В ближнем инфракрасном диапазоне (например, 1550\text{ nm} ), наиболее часто используемом в волоконной оптической связи, показатель преломления чистого диоксида кремния составляет около 1.444 . Это собственное оптическое свойство стекла на основе диоксида кремния.
- Конструкция сердцевины и оболочки : Передача света в оптическом волокне зависит от принципа полной внутренней рефракции (Total Internal Reflection) . Следовательно, оптическое волокно спроектировано как двухслойная структура:
- Внешняя оболочка (Cladding) : Обычно используется чистый диоксид кремния с показателем преломления в ближнем инфракрасном диапазоне n_2 \approx 1.444 .
- Центральная сердцевина (Core) : Чтобы показатель преломления света был немного выше, чем у оболочки, в сердцевину обычно добавляют небольшое количество микроэлементов (например, диоксида германия \text{GeO}_2 ), чтобы повысить показатель преломления до n_1 \approx 1.449 .
- Относительная разница показателей преломления : Относительная разница показателей преломления между сердцевиной и оболочкой \Delta обычно составляет около 0.36\% . Таким образом, эффективный показатель преломления (Effective Refractive Index, n_{\text{eff}} ), ощущаемый светом при его распространении, находится между показателями преломления сердцевины и оболочки, обычно в диапазоне от 1.44 до 1.46 (в зависимости от рабочей длины волны и концентрации легирующих примесей).
2. На что влияет это число?
Этот фундаментальный физический параметр (показатель преломления) определяет ключевые характеристики передачи и параметры конструкции оптического волокна и связанных с ним оптических устройств:
(1) Определяет скорость распространения света и время задержки в оптическом волокне
Скорость распространения света v в среде зависит от показателя преломления среды:
v = \frac{c}{n_{\text{eff}}}
где c - скорость света в вакууме (приблизительно 3 \times 10^8\text{ m/s} ).
При показателе преломления n_{\text{eff}} \approx 1.44 - 1.46 фактическая скорость света v в оптическом волокне составляет около 2.05 \times 10^8\text{ m/s} (примерно на 30\% медленнее, чем в вакууме). В оптических сетях, высокоскоростной связи и при определении местоположения с помощью волоконно-оптических датчиков это означает, что каждый километр передачи света по оптическому волокну создает физическую задержку примерно в 4.9\ \mu\text{s} . Это фундаментальная константа задержки для проектирования высокоскоростных коммуникационных сетей.
(2) Определяет длину волны отражения волоконного брэгговского решетки (FBG)
В технологии волоконных брэгговских решеток (FBG Technology) центральная длина волны отражения Брэгга \lambda_B тесно связана с эффективным показателем преломления n_{\text{eff}} и периодом решетки \Lambda :
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Поскольку эффективный показатель преломления n_{\text{eff}} составляет около 1.44 , для отражения света определенной длины волны (например, 1550\text{ nm} , часто используемого в телекоммуникационном C-диапазоне) период физической записи решетки \Lambda должен быть точно установлен примерно на 530\text{ nm} .
(3) Определяет числовую апертуру ( \text{NA} ) оптического волокна и его устойчивость к изгибу
Разница между показателем преломления сердцевины n_1 и показателем преломления оболочки n_2 определяет числовую апертуру оптического волокна:
\text{NA} = \sqrt{n_1^2 - n_2^2}
Числовая апертура \text{NA} ограничивает максимальный угол падения света, который волокно может принимать и передавать (т. е. его светособирающую способность), а также напрямую определяет способность волокна сопротивляться утечке света при изгибе (т. е. его характеристики потерь при изгибе).
3. Стандартные оптические волокна Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) и их применение
Высокопроизводительные оптические волокна Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) разработаны на основе стандартной системы показателей преломления на основе диоксида кремния. Строгий промышленный контроль профилей показателей преломления сердцевины и оболочки обеспечивает высокую точность передачи и чувствительность датчиков:
-
OFSCN® G.652D Optical Fiber : Стандартное одномодовое оптическое волокно на основе диоксида кремния, с сердцевиной и оболочкой, изготовленными с использованием процесса вытяжки с чрезвычайно низким содержанием примесей, имеет стандартные характеристики показателя преломления уровня 1.44 . Подходит для базовой связи и стандартных волоконно-оптических датчиков.
-
OFSCN® G.657 Optical Fiber : Стандартное одномодовое оптическое волокно с низким уровнем чувствительности к изгибу (опционально G.657 A2 или G.657 B3 ), с оптимизированной ступенчатой разницей показателей преломления, обеспечивающей низкие потери света даже при очень малых радиусах изгиба.
-
OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber : Высокотемпературное одномодовое оптическое волокно на основе полиимида, работающее при температуре до 300°C, разработано на основе стандартного оптического стержня G.652D. Его базовые физические характеристики показателя преломления соответствуют стандарту диоксида кремния, а внешнее покрытие из термостойкого полиимида широко используется для записи высокотемпературных волоконных брэгговских решеток (FBG) и в датчиках для суровых условий эксплуатации.
