Dalam komunikasi optik, pandu gelombang optik yang diperlukan untuk-transmisi sinyal optik jarak jauh adalah pandu gelombang dielektrik silinder yang disebut serat optik (atau sederhananyaserat optik). Serat optik adalah pandu gelombang dielektrik yang beroperasi pada frekuensi optik, mengarahkan energi cahaya untuk merambat sepanjang arah yang sejajar dengan porosnya.
Struktur dan klasifikasi serat optik
Struktur serat optik:
Serat optik (OF) adalah serat dielektrik transparan yang digunakan untuk memandu cahaya. Serat optik praktis terdiri dari beberapa lapisan dielektrik transparan. Struktur khas serat optik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-1, dapat dibagi menjadi tiga lapisan: inti dengan indeks bias lebih tinggi, lapisan dengan indeks bias lebih rendah, dan lapisan luar. Struktur inti dan kelongsong memenuhi persyaratan panduan cahaya, mengendalikan perambatan gelombang cahaya di sepanjang inti; lapisan ini terutama memiliki fungsi pelindung (karena tidak mengarahkan cahaya, lapisan ini dapat diwarnai dalam berbagai warna).
(Gambar 2-1 Struktur serat optik tipikal)
(1) Inti Serat Inti serat terletak di tengah serat optik (diameter 5~80µm). Komposisinya adalah silikon dioksida dengan kemurnian tinggi, dengan sedikit dopan seperti germanium dioksida dan fosfor pentoksida yang ditambahkan. Tujuan penambahan dopan dalam jumlah kecil ini adalah untuk meningkatkan indeks bias (n) inti serat secara tepat. Untuk serat optik komunikasi, diameter inti adalah 5~10µm (serat-mode tunggal) atau 50~80µm (serat multimode).
(2) Kelongsong: Kelongsong terletak di sekitar inti serat (diameternya kira-kira 125 μm), dan komposisinya juga merupakan silikon dioksida dengan kemurnian tinggi-yang mengandung dopan dalam jumlah yang sangat kecil. Peran dopan (seperti boron trioksida) adalah mengurangi indeks bias optik (n2) kelongsong secara tepat, sehingga sedikit lebih rendah daripada indeks bias inti serat. Untuk memenuhi persyaratan pemandu cahaya yang berbeda, kelongsong dapat dibuat dalam satu lapisan atau beberapa lapisan.
(3) Lapisan terluar dari serat optik yang dilapisi adalah lapisan yang terdiri dari akrilat, karet silikon, dan nilon, yang meningkatkan kekuatan mekanik dan fleksibilitas serat optik. Lapisan umumnya dibagi menjadi lapisan primer dan lapisan sekunder. Lapisan sekunder adalah lapisan tambahan bahan termoplastik yang diaplikasikan di atas lapisan primer, oleh karena itu disebut juga kelongsong. Diameter luar serat optik yang dilapisi umumnya sekitar 1,5 cm.
Ketebalan inti serat, distribusi indeks bias bahan inti, dan indeks bias bahan pelapis memainkan peran yang menentukan dalam karakteristik transmisi serat optik. Bahan pelapis biasanya merupakan bahan homogen dengan indeks bias konstan. Jika terdapat beberapa lapisan kelongsong, indeks bias setiap lapisan kelongsong berbeda. Indeks bias inti serat bisa seragam atau bervariasi sepanjang jari-jari inti r. Oleh karena itu, fungsi distribusi indeks bias n(r) sepanjang jari-jari biasanya digunakan untuk mengkarakterisasi perubahan indeks bias inti.
Klasifikasi serat optik:
Berikut terjemahan bahasa Inggris dari teks dari gambar:
“Saat ini terdapat banyak jenis serat optik, namun metode klasifikasinya secara umum dibagi menjadi 4 kategori: klasifikasi berdasarkan distribusi indeks bias serat, klasifikasi berdasarkan mode transmisi, klasifikasi berdasarkan panjang gelombang kerja, dan klasifikasi berdasarkan bahan jaket dan cladding. Selain itu, menurut komposisi komponen serat optik, selain serat optik silika yang paling umum digunakan, terdapat juga serat optik fluorida dan serat optik plastik.
(1) Klasifikasi berdasarkan distribusi indeks bias serat: dapat dibagi menjadi Step Index Fiber (SIF) dan Graded Index Fiber (GIF).
1. Serat optik indeks langkah: mengacu pada inti serat dan daerah kelongsong yang distribusi indeks biasnya seragam, nilainya konstan, dan distribusi indeks bias menyajikan struktur berlapis seperti langkah-. Variasi indeks biasnya seperti langkah-. Distribusi indeks bias serat optik indeks langkah ditunjukkan pada Gambar 2-2.
Ekspresi distribusi indeks biasnya adalah:
n(r) = {n₁(r Kurang dari atau sama dengan a₁)
{n₂ (a₁< r Kurang dari atau sama dengan a₂)
Serat optik indeks langkah adalah bentuk struktur awal serat optik. Kemudian, dalam serat optik multimode, secara bertahap digantikan oleh serat optik indeks bergradasi (karena serat optik indeks bergradasi dapat sangat mengurangi dispersi warna modal yang dimiliki serat optik multimode). Namun, masih umum digunakan untuk mentransmisikan cahaya berdenyut dalam serat optik. Saat ini, ketika serat optik-mode tunggal secara bertahap menggantikan serat optik multimode sebagai produk utama serat optik komersial, struktur serat optik indeks langkah telah menjadi satu-satunya bentuk struktur serat optik-mode tunggal - yang harus berbentuk-tahap.
2. Serat optik indeks bergradasi: mengacu pada serat optik yang distribusi indeks biasnya bervariasi menurut radius r. Ketika jarak dari pusat bertambah dan berkurang secara bertahap, jari-jarinya secara bertahap menjadi lebih kecil. Aturan variasinya umumnya sesuai dengan aturan eksponensial pangkat. Ketika mencapai inti serat dan antarmuka kelongsong, serat tersebut dipotong ke nilai yang sesuai dengan kelongsong; pada daerah kelongsong distribusi indeks biasnya seragam yaitu n₂. Distribusi indeks bias serat optik indeks bergradasi ditunjukkan pada Gambar 2-3."
Distribusi indeks biasnya dinyatakan sebagai berikut:
"Dalam persamaannya, g adalah bilangan sebaran indeks bias; mewakili nilai berbeda pada sebaran indeks bias berbeda; n₁ adalah indeks bias di pusat inti serat; n₂ adalah indeks bias kelongsong; a₁ adalah jari-jari inti; Δ adalah selisih indeks bias relatif, Δ=(n₁² - n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
Alasan utama berkurangnya dispersi antar moda serat optik indeks bertingkat adalah karena mengurangi dispersi modal, memperluas jarak transmisi, dan meningkatkan kapasitas transmisi.
(2) Klasifikasi berdasarkan cara transmisi:Dapat dibagi menjadi Multi-Mode Fiber (MMF) dan Single Mode Fiber (SMF). Seperti namanya, serat optik multimode dapat mentransmisikan beberapa mode, sedangkan serat optik-mode tunggal hanya dapat mentransmisikan mode fundamental dan mode medan listrik. Secara umum diyakini bahwa solusi transmisi generasi baru harus didominasi oleh serat optik-mode tunggal karena dapat mentransmisikan lebih jauh dibandingkan serat optik multimode. Ketika kehilangan dan dispersi media transmisi sama, daya dukung informasi setelah modulasi mode tunggal-jauh lebih tinggi dibandingkan setelah modulasi multimode.
Dalam kondisi panjang gelombang kerja tertentu, terdapat banyak mode transmisi dalam serat optik, dan mode serat ini adalah serat optik multimode. Indeks bias modal serat optik multimode kira-kira sama dengan indeks bias inti serat, dan jumlah mode kira-kira sebanding dengan kuadrat V (frekuensi dinormalisasi). Oleh karena itu, disebut juga serat optik multimode bertingkat. Kemudian, secara bertahap menjadi serat optik indeks bertingkat.
Dalam kondisi panjang gelombang kerja tertentu, jika hanya ada satu mode transmisi dalam serat optik, maka hal ini disebut serat optik-mode tunggal. Serat optik mode-tunggal hanya dapat mentransmisikan mode fundamental (mode aksial), dan tidak ada dispersi antarmodal saat transmisi dalam mode ini. Dibandingkan dengan serat optik multimode dengan sejumlah besar-mode tingkat tinggi, ini sangat berguna untuk-sistem komunikasi serat optik berkecepatan tinggi.
(3) Klasifikasi berdasarkan panjang gelombang kerja: Dapat dibagi menjadi serat optik dengan panjang gelombang pendek dan serat optik dengan panjang gelombang panjang.
1.Serat optik dengan panjang gelombang pendek-: Pada tahap awal pengembangan komunikasi serat optik, panjang gelombang yang umum digunakan adalah antara 0,6 ~ 0,9 μm. Alasan utamanya pada saat itu adalah sumber cahaya laser semikonduktor dan detektor yang beroperasi pada pita panjang gelombang ini sudah relatif matang, dan serat optik dengan panjang gelombang pendek-adalah produk utamanya. Saat ini jarang digunakan.
2.Serat optik dengan panjang gelombang -panjang: Seiring dengan berlanjutnya penelitian, ketika memasuki pita panjang gelombang 1,31 μm dan 1,55 μm, kedua pita panjang gelombang ini telah menunjukkan karakteristik kehilangan rendah, dispersi nol, dan kehilangan lentur minimum. Oleh karena itu, penelitian secara bertahap beralih ke dua pita panjang gelombang ini, dan serat optik dengan kinerja lebih baik pun bermunculan. Praktik telah membuktikan bahwa pada panjang gelombang 1,0 ~ 2,0 μm, serat optik memiliki kehilangan yang lebih rendah dibandingkan serat optik dengan panjang gelombang pendek-.
(4)Serat optik dengan panjang gelombang-panjang sangat cocok untuk komunikasi serat optik-jarak jauh dan berkapasitas tinggi-karena keunggulannya seperti redaman rendah dan bandwidth lebar.
1. Serat optik konvensional: mengacu pada serat optik yang inti seratnya diolah dengan germanium, cladding, dan distribusi indeks bias inti digabungkan dalam rasio tertentu. Karena serat optik jenis ini memiliki karakteristik yang baik dan relatif mudah diproduksi, maka telah melewati beberapa generasi perbaikan.
Hal ini disebabkan tingginya koefisien muai bahan dengan bahan baku germanium. Pada suhu rendah akan menyusut dan retak. Birefringence stres akan terjadi, menambah asimetri pada serat optik.
2.Serat optik terdispersi-bergeser: Mengacu pada serat optik yang mengalami perlakuan panas setelah doping dengan germanium, memindahkan titik nol-dispersi menjadi satu panjang gelombang, bukan tiga atau tiga kali panjang gelombang.
Proses pembuatan serat optik jenis ini relatif rumit. Diantaranya, diameter inti harus sesuai dengan derajat doping untuk mengoptimalkan serat optik. Oleh karena itu, belum banyak digunakan.”
