Optik serat dan kabel serat optik digunakan untuk mengirimkan energi dan informasi cahaya dalam jarak pendek atau jauh. Selama beberapa dekade terakhir, serat optik telah dikombinasikan dengan dioda laser semikonduktor dan penerima optik untuk memungkinkan pertumbuhan cepat sistem komunikasi serat optik. Serat optik adalah pandu gelombang dielektrik penampang melingkar yang terdiri dari inti, kelongsong konsentris di sekitar inti, dan indeks bias yang sedikit lebih rendah (sekitar 1%). Serat optik biasanya terbuat dari silikon dioksida dengan dopan seperti GEO2, yang mengubah indeks bias silikon dioksida. Kabel serat optik merangkum serat dalam lapisan pelindung yang membuat serat lebih mudah ditangani, mengurangi crosstalk antara serat yang berdekatan, dan mencegah kerusakan pada serat ketika ditekan ke permukaan kasar. Selain keunggulan transmisi cahaya, pengurungan cahaya ke area kecil di dalam inti serat telah memfasilitasi pengembangan laser serat dan serat kristal fotonik.
Dasar -dasar serat optik
Gbr. 1 Skema sudut kritis dan TIR (kiri). Cahaya diiradiasi pada antarmuka inti-longsor pada sudut yang lebih besar dari sudut kritis terperangkap di dalam inti serat (kanan). Hubungan antara penerima sudut (), NA dan indeks bias.
Gambar 1 menunjukkan arah cahaya insiden saat bertemu antarmuka media tingkat cahaya (yaitu, N2
Serat optik adalah pandu gelombang dielektrik melingkar dengan inti yang memiliki indeks bias yang lebih tinggi daripada kelongsong. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, jika kondisi sudut TIR dipenuhi, maka cahaya akan terbatas pada inti. NA dari serat optik didefinisikan sebagai sinus dari sudut maksimum kejadian () dari cahaya kejadian TIR di inti. NA adalah ukuran kualitatif dari kemampuan serat optik untuk memusatkan cahaya, dan juga menunjukkan betapa mudahnya memasangkan cahaya ke dalam serat. Geometri dan komposisi serat optik menentukan set medan elektromagnetik diskrit atau mode serat yang dapat merambat melalui serat. Mode termasuk dalam dua kategori luas: mode yang dipancarkan dan dilakukan. Cahaya yang dipancarkan di luar sudut yang ditentukan dari serat Na akan menggairahkan mode radiasi.
Mode -mode ini membawa energi dari inti dan menghilang dengan cepat. Cahaya yang dipancarkan di dalam NA serat biasanya menghasilkan mode yang dilakukan yang terbatas pada inti. Mode -mode ini menyebarkan energi di sepanjang serat, mentransmisikan informasi dan daya. Jika inti dari serat optik cukup besar, ia dapat mendukung banyak mode konduksi secara bersamaan, yaitu, perambatan multimode. Ketika cahaya dihadapkan pada serat optik, mode -mode itu bersemangat untuk berbagai derajat tergantung pada kondisi kejadian (misalnya, sudut kerucut input, ukuran titik, pusat aksial) dan dapat menunjukkan berbagai macam distribusi spasial. Sama seperti mode transversal dari laser, mode orde terendah dari serat optik memiliki distribusi spasial dekat-Gaussian dan karenanya memiliki banyak keunggulan yang sama. Inilah alasan mengapa sering diharapkan untuk mempertahankan transmisi mode tunggal dalam serat optik. Parameter frekuensi yang dinormalisasi dari serat (juga dikenal sebagai v-number) adalah parameter teknis yang sangat berguna yang mengekspresikan jumlah mode pada panjang gelombang yang diberikan berdasarkan NA dari serat dan jari-jari inti.
Gambar 2 Atenuasi spektral khas dalam serat kuarsa (kiri). Saat cahaya bergerak di sepanjang serat, dispersi menyebabkan pulsa cahaya individu meluas di domain waktu (kanan atas). Contoh beberapa pulsa yang mewakili aliran bit informasi yang menjadi tidak dapat dikenali karena dispersi setelah propagasi (kanan bawah).
Daya optik yang merambat melalui serat optik meluruh secara eksponensial dengan panjang serat karena penyerapan dan kehilangan hamburan (lihat Gambar 2). Atenuasi adalah faktor terpenting dalam sistem komunikasi serat optik dan secara langsung mempengaruhi tingkat sinyal yang dapat diterima. Di daerah NIR dan VIS, hilangnya penyerapan kecil silika murni disebabkan oleh ekor pita penyerapan dalam FIR dan UV. Kotoran, terutama air dalam bentuk ion hidroksida, adalah sumber penyerapan yang lebih dominan dalam serat optik komersial. Peningkatan terbaru dalam kemurnian serat telah mengurangi kehilangan atenuasi ke urutan 0. 1 dB/km. Kehilangan hamburan juga dapat menyebabkan atenuasi dalam bentuk fluktuasi indeks bias kecil pada serat ketika serat disembuhkan dan diameter inti dan geometri tidak teratur.
Bandwidth serat optik menentukan laju transmisi datanya. Mekanisme yang membatasi bandwidth serat optik disebut dispersi. Dispersi adalah perluasan pulsa cahaya yang terjadi saat mereka merambat di sepanjang serat. Hasilnya adalah bahwa satu pulsa membentang ke yang lain dan informasi menjadi tidak dapat dibedakan (lihat Gambar 2).
Dispersi membatasi bandwidth dan jarak di mana informasi dapat ditransmisikan. Ada dua jenis dispersi utama: dispersi intra-modal dan dispersi antar-modal. Ada dua jenis dispersi intra-modal: dispersi kromatik dan dispersi mode polarisasi. Dispersi kromatik hanyalah hasil dari indeks bias bahan yang berubah dengan panjang gelombang. Dispersi mode polarisasi adalah karena mode polarisasi ortogonal yang bepergian dengan kecepatan yang berbeda dalam serat sebagai akibat dari birefringence. Penyebaran antar moda terjadi karena mode propagasi yang berbeda melakukan perjalanan dengan kecepatan yang berbeda. Oleh karena itu, dispersi antar moda hanya berlaku untuk serat multimode.
Gambar 3 Kontrol polarisasi dalam serat optik yang dipicu dengan memeras serat dari berbagai arah.
Mode dukungan serat mode tunggal yang terdiri dari dua mode terpolarisasi ortogonal. Ini adalah konsekuensi dari asimetri penampang inti serat. Biasanya, tekanan eksternal adalah acak, dan birefringence yang diinduksi membantu mengganggu atau mengacak keadaan polarisasi. Serat khusus, yang disebut serat pemeliharaan bias, menghasilkan pola birefringence yang konsisten di atas panjangnya. Ini dicapai dengan mengoptimalkan geometri serat dan bahan yang menghasilkan sejumlah besar stres dalam satu arah. Birefringence yang diinduksi besar ini mendominasi dibandingkan dengan birefringence acak, memungkinkan keadaan polarisasi dipertahankan selama propagasi di dalam serat. Mengontrol keadaan polarisasi dalam serat optik analog dengan kontrol ruang bebas dengan menerapkan pelat gelombang yang menyebabkan fase dua status polarisasi ortogonal berubah. Hal ini dicapai dengan birefringence yang diinduksi stres serat, yang menyebabkan penundaan, menghasilkan pelat gelombang berbasis pandu gelombang. Perangkat polarisasi yang serupa, termasuk squeezer serat yang berputar di sekitar serat, ditunjukkan pada Gambar 3. Menerapkan tekanan pada serat optik menghasilkan birefringence linier, secara efektif membentuk pandu gelombang serat optik dengan penundaan yang bervariasi dengan tekanan.
