Čo je jadrom optického vlákna? Cesta svetla vysvetlená

The jadro an optické vlákno je centrálnym fyzickým médiom – zvyčajne ultračistým vláknom kremičitého skla alebo plastu – ktoré prenáša svetelné signály po celej dĺžke kábla. Je srdcom vlákna, kde je viac ako 99 % navádzaného optického výkonu obmedzených a šírených úplným vnútorným odrazom. Bez jadra by boli neuveriteľné rýchlosti prenosu dát moderných telekomunikácií, medicínskeho zobrazovania a priemyselného snímania nemožné.

Pochopenie vláknového jadra: definícia a funkcia

Jadrom je valcový vlnovod, ktorého primárnou úlohou je prenášať modulované svetlo z vysielača do prijímača s minimálnymi stratami a skreslením. V štandardnom sklenenom optickom vlákne je jadro obklopené plášťovou vrstvou, ktorá má o niečo nižší index lomu. Tento presný rozdiel indexu vytvára optickú hranicu, ktorá zachytáva fotóny vo vnútri jadra a núti ich pohybovať sa pozdĺž osi vlákna, aj keď sa kábel ohýba.

Typické jednovidové vlákno používané v diaľkových telekomunikáciách prenáša infračervené svetlo s vlnovými dĺžkami okolo 1310 nm alebo 1550 nm. Pri týchto vlnových dĺžkach môže byť útlm tak nízky ako 0,20 dB/km , čo znamená, že signál môže prejsť viac ako 100 km, kým je potrebná regenerácia. Takáto transparentnosť sa dosahuje znížením nečistôt - najmä vody a kovových iónov - vo vnútri materiálu jadra na časti na miliardu.

Úloha indexu lomu a celkového vnútorného odrazu

Svetlo je obmedzené v jadre kvôli javu tzv totálny vnútorný odraz (TIR). Keď svetelný lúč pohybujúci sa v jadre narazí na hranicu plášťa jadra pod uhlom väčším ako je kritický uhol, odrazí sa úplne späť do jadra, než aby unikol do plášťa. To si vyžaduje index lomu jadra n ₁ byť striktne väčší ako index plášťa n ₂ .

Numerická apertúra (NA) kvantifikuje schopnosť vlákna zhromažďovať svetlo a je daná vzťahom NA = √(n ₁ ² − n ₂ ²). Jednovidové vlákno typicky vykazuje NA 0,10 – 0,14 , zatiaľ čo multimódové vlákna navrhnuté pre ľahké spojenie majú okolo seba NA 0,20 – 0,29 . Väčšia NA prijíma viac svetla, ale tiež rozširuje modálnu disperziu, čím obmedzuje šírku pásma.

Presnosť indexového profilu je navrhnutá počas výroby. Krokový index profily udržujú základný index jednotný, zatiaľ čo stupňovaný index profily postupne znižujú index od stredu smerom von. Dizajn s odstupňovaným indexom je štandardom pre širokopásmové multimódové vlákno, pretože znižuje modálny rozptyl tým, že rôzne svetelné dráhy prichádzajú takmer v rovnakom čase.

Materiály jadra: kremičité sklo vs. plastové optické vlákna

Veľká väčšina jadier z vlákien komunikačnej kvality je vyrobená z syntetický tavený oxid kremičitý (SiO ₂ ) dopovaný oxidom germaničitým (GeO ₂ ) alebo iných agentov zvyšujúcich index. Dopovanie germániom zvyšuje index lomu presne natoľko, aby vytvorilo jadro, zatiaľ čo plášť zostáva čistým alebo jemne fluórom dopovaným oxidom kremičitým. Podľa IEC 60793-2-50 musia jednovidové vlákna udržiavať hydroxylovú (OH⁻) kontamináciu pod 0,8 časti na miliardu aby sa predišlo maximálnemu útlmu vody v blízkosti 1383 nm.

Na druhej strane jadrá z plastových optických vlákien (POF) sú vyrobené z poly(metylmetakrylát) (PMMA) alebo perfluórované polyméry. Priemer jadra je podľa štandardov skla obrovský - často 0,5 mm až 1 mm — čo zjednodušuje konektorovanie a robí POF odolným voči prachu a vibráciám. Jadrá na báze PMMA však trpia vysokým útlmom okolo 150 dB/km pri 650 nm , čo obmedzuje ich dosah na približne 100 metrov. Perfluórovaný POF redukuje útlm na zhruba 10 dB/km , ale stále oveľa vyššia ako oxid kremičitý.

• Výhody jadra oxidu kremičitého: ultranízka strata (< 0,20 dB/km pri 1550 nm), vysoká teplotná stabilita, kompatibilita s hustým multiplexovaním vlnových dĺžok.
• Výhody plastového jadra: veľké jadro pre jednoduché zarovnanie, nízke náklady, flexibilitu, prevádzku s viditeľným svetlom pre spotrebiteľské audio a automobilové siete.
• Špeciálne materiály: chalkogenidové sklá alebo zafírové jadrá sa používajú na stredný infračervený prenos a vysokovýkonné laserové dodávanie.

Veľkosti jadra a štandardy: Single-mode vs. Multimode

Výkon vlákna je určený predovšetkým fyzickými rozmermi jadra. Medzinárodné normalizačné orgány (ITU-T, IEC, ISO/IEC) definujú tesné okná pre priemer jadra, chybu sústrednosti a priemer poľa režimu, aby sa zaručila interoperabilita.

Základné charakteristiky jedného režimu

Jednorežimové jadro je navrhnuté tak, aby podporovalo iba základné LP ₀₁ režim, ktorý úplne eliminuje modálnu disperziu. Jeho priemer je typický 8,2 – 9,5 um , s priemerom poľa režimu približne 9,2 um pri 1310 nm (ITU-T G.652.D). Hraničná vlnová dĺžka, bod, pod ktorým vlákno podporuje viacero režimov, je udržiavaná nad 1260 nm, aby sa zabezpečila skutočná prevádzka v jednom režime v pásmach 1310 nm a 1550 nm.

Charakteristika multimódového jadra

Multimode jadrá, štandardizované podľa ISO/IEC 11801, sa dodávajú v dvoch hlavných priemeroch: 50 µm (OM2, OM3, OM4, OM5) a 62,5 um (OM1). Väčšie jadro podporuje stovky priestorových režimov, čo zjednodušuje spojenie s lacnými svetelnými zdrojmi, ako sú VCSEL, ale zavádza modálnu disperziu. Aby sa to zmiernilo, všetky moderné multimódové vlákna s vysokou šírkou pásma používajú profil jadra s odstupňovaným indexom, čím sa dosahuje efektívna modálna šírka pásma 4700 MHz·km pri 850 nm pre OM4 a ešte vyššie pre OM5 v okne 953 nm.

Tabuľka 1: Základné parametre a porovnanie výkonu medzi jednovidovými a viacvidovými optickými vláknami. Údaje pochádzajú z noriem ITU‑T G.652, G.651.1 a ISO/IEC 11801.

Ako sa vyrábajú vláknité jadrá: Predtvar na kreslenie

Čistota jadra a presný profil indexu sa rodia vo viackrokovom procese naparovania, ktorý vytvára sklenenú tyčinku nazývanú predlisok. Predlisok sa potom vtiahne do vlákna tenkého ako vlas, pričom sa presne zachová geometria prierezu.

Používajú sa tri hlavné depozičné techniky: Modifikovaná chemická depozícia z pár (MCVD) , Vonkajšie nanášanie pár (OVD) a Axiálne nanášanie pár (VAD) . V MCVD plyny vysokej čistoty (SiCl ₄ , GeCl ₄ ) prúdi vnútri rotujúcej kremennej trubice, zatiaľ čo priečny horák ohrieva zónu na približne 1600 °C, čo spôsobuje ukladanie sadzí vrstvu po vrstve. Koncentrácia germánia v jadre sa mení pri každom prechode, aby sa profil indexu lomu zapísal priamo do skla. Po nanesení sa rúrka zloží do pevnej tyče pri teplotách blízkych 2000 °C.

Metódy OVD a VAD vytvárajú predlisok zvonku, čo umožňuje väčšie predlisky a vyššiu produktivitu. Vytvorí sa porézna hrudka sadzí, ktorá sa neskôr speká do číreho skla. Štruktúra plášťa jadra je definovaná radiálnym zložením usadených sadzí. Konečný predlisok - teraz pevný valec dlhý asi 1 meter a hrubý niekoľko centimetrov - sa vloží do ťažnej veže. Zahrieva sa v grafitovej peci na približne 2000 °C a ťahá sa do vlákna rýchlosťou 250 °C 1200 – 1800 m/min . Okamžite sa aplikuje dvojvrstvový akrylátový náter vytvrdzovaný UV žiarením, aby sa ochránil nedotknutý sklenený povrch.

Mechanizmy útlmu a strát vo vnútri jadra

Straty v jadre pochádzajú z absorpcie, rozptylu a ohýbania. Základná spodná hranica je Rayleighov rozptyl , spôsobené mikroskopickými výkyvmi hustoty zamrznutými do skla počas chladenia. Rayleighova strata je škálovaná ako λ⁻⁴, čo je dôvod, prečo systémy s jedným režimom migrovali z 1310 nm na 1550 nm: pri 1550 nm je Rayleighov príspevok približne 0,12 – 0,15 dB/km , zhruba polovičná hodnota pri 1310 nm.

Infračervené absorpčné okraje z vibrácií Si-O väzby sa stávajú viditeľnými za hranicami 1600 nm, zatiaľ čo ultrafialové absorpčné chvosty sú v infračervenom žiarení zanedbateľné. Absorpcia nečistôt – najznámejšie z OH⁻ iónov – vytvára vodný vrchol blízko 1383 nm. V starších vláknach by tento vrchol mohol prekročiť 3 dB/km , ale moderné vlákna „low water peak“ (ITU-T G.652.D) ju potláčajú pod úroveň 0,35 dB/km, čo umožňuje použitie E-pásma (1360-1460 nm) pre hrubé WDM.

K stratám makro ohybu dochádza, keď je vlákno zvinuté príliš tesne; ohraničenie jadra sa oslabuje a svetlo vyžaruje do plášťa. Pre vlákno G.657 necitlivé na ohyb môže byť povolený polomer ohybu taký malý ako 5 mm so zanedbateľnou pridanou stratou pri 1 550 nm vďaka indexovému dizajnu s podporou výkopu alebo stlačeným plášťom okolo jadra.

Disperzia a jej vplyv na dizajn jadra

Chromatická disperzia a modálna disperzia vznikajú z toho, ako geometria jadra a materiál interagujú so svetlom. V jednovidovom jadre je chromatická disperzia súčtom disperzie materiálu a disperzie vlnovodu. Vyladením priemeru jadra a indexu delta môžu dizajnéri posunúť vlnovú dĺžku s nulovým rozptylom. Štandardné vlákna G.652 umiestňujú nulu na okolo 1310 nm , zatiaľ čo vlákna s posunom disperzie (G.653) ju posúvajú na 1550 nm znížením efektívnej plochy jadra a úpravou profilu indexu. Tento kompromis môže zvýšiť nelineárne efekty, takže vlákna s posunom nenulovej disperzie (G.655) si zachovávajú malú, ale nenulovú disperziu v pásme C, aby sa potlačilo štvorvlnové miešanie.

V multimódových jadrách je dominantným zabijakom šírky pásma modálna disperzia. Jadro s krokovým indexom 50 µm vykazuje modálnu šírku pásma iba 20 – 50 MHz·km . Aplikovaním optimalizovaného parabolického odstupňovaného indexového profilu šírka pásma vyskočí tisícky MHz·km , umožňujúci prenos 100 Gbps na vzdialenosť 100 metrov s vláknom OM4. Každá generácia multimódového vlákna sprísňuje tolerancie indexového profilu, aby sa lepšie vyrovnali skupinové rýchlosti vo všetkých skupinách režimov.

Nové technológie jadra: duté a viacjadrové vlákna

Ďalšia revolúcia v dizajne jadra úplne vychádza z pevného skla. Fotonické bandgap vlákna s dutým jadrom vodiace svetlo vo vzduchom naplnenej centrálnej oblasti obklopenej mikroštruktúrnym plášťom, ktorý vytvára fotonickú bandgap. Pretože svetlo sa šíri väčšinou vzduchom, latencia klesá na 1,5 µs/km — 31 % zníženie v porovnaní so štandardnými vláknami — a nelinearita prudko klesá. Nedávny výskum zaznamenal útlm 0,174 dB/km vo vlákne s dutým jadrom pri 1550 nm, čím sa zmenšuje medzera so záznamami s pevným jadrom. Takéto vlákna sa už testujú pre finančné obchodné siete s ultra nízkou latenciou a vysokoenergetické laserové doručovanie.

Viacjadrové vlákna vložiť niekoľko nezávislých jadier do jedného plášťa - zvyčajne 4, 7 alebo dokonca 19 jadier v šesťhrannom poli. Každé jadro môže prenášať samostatný dátový tok, čím sa kapacita vlákna vynásobí počtom jadier pri zachovaní priemeru plášťa na štandardných 125 µm alebo o niečo väčších. Experimenty s prenosom presahujú 1 petabit/s na jednom viacjadrovom vlákne, pričom každé jadro podporuje konvenčnú prevádzku v jednom režime. Výzva zostáva v zariadeniach typu fan-out a správe medzijadrových presluchov, ale štandardné orgány už definujú metódy charakterizácie pre viacjadrové vlákna.

Vizualizácia vláknového jadra

Obrázok nižšie zobrazuje zjednodušený prierez štandardného jednovidového vlákna. Jadro zaberá úplný stred, za ním nasleduje opláštenie a ochranný nárazníkový povlak.

Často kladené otázky o vláknovom jadre

Prečo musí mať jadro vyšší index lomu ako plášť?

Úplný vnútorný odraz môže nastať iba vtedy, keď svetlo prechádza z média s vyšším indexom do média s nižším indexom. Ak by bol index jadra rovnaký alebo nižší ako plášť, svetlo by sa lámalo a vlákno by prestalo viesť. Rozdiel indexu vytvára optickú bariéru, ktorá mení jadro na valcové zrkadlo.

Prečo je jednorežimové jadro také malé?

Priemer jadra musí byť blízky vlnovej dĺžke svetla, aby sa prerušili všetky režimy vyššieho rádu. Pre prevádzku pri 1550 nm priemer jadra okolo 8–9 µm poskytuje normalizovanú frekvenciu V < 2,405, čo zaručuje šírenie v jednom režime. Väčšie jadro by podporovalo viacero režimov a zaviedlo by modálnu disperziu, čo by výrazne obmedzilo produkt na šírku pásma.

Môže mať optické vlákno viac ako jedno jadro?

áno. Viacjadrové vlákna sa nasadzujú na multiplexovanie s delením priestoru, pričom integrujú až 19 nezávislých jadier v štandardnom priemere plášťa. Každé jadro funguje ako samostatný jednorežimový kanál, ktorý znásobuje dátovú kapacitu jedného vlákna vlákna. Táto technológia je kľúčovým predpokladom pre budúce podmorské káble triedy petabit.

Ako sa jadro udržiava čisté počas výroby?

Všetky procesy naparovania používajú prekurzorové plyny polovodičovej kvality, ktoré sú filtrované na submikrónové úrovne. Celá výroba predlisku prebieha v utesnenom prostredí bez častíc a sklo sa syntetizuje priamo z pary a nie je roztavené zo surovín. Tento prístup obmedzuje kontamináciu prechodnými kovmi na nižšiu hodnotu 1 časť na miliardu čo je nevyhnutné na dosiahnutie minimálnej straty 0,2 dB/km.

Jadro optického vlákna môže byť malé - niekedy neviditeľné voľným okom - ale jeho materiál, geometria a indexový profil rozhodujú o tom, ako rýchlo, ako ďaleko a ako čisto môže svetlo dodávať informácie. Ako dozrievajú dizajny dutých jadier a viacjadrových jadier, základnou definíciou toho, čo jadro môže byť, je rozširovanie, sľubné siete, ktoré sú rýchlejšie, s nižšou latenciou a energeticky účinnejšie než kedykoľvek predtým.