Fibra optike

Fibra optike është fije qelqi industrial, përçues (transmetues) i dritës apo pjesë të spektrit të saj, që në krahasim me fijet e telit lejojn një transmetim shumë më të shpejtë dhe më të madh të të dhënave. Avantazhi i saj qëndron në faktin që trasmeton sinjale me shpejtesinë e dritës. Një sinjal elektrik për t'u transmetuar në fibër konvertohet në sinjal optik dhe anasjelltas.

Valësjellësi

Valësjellësi optik është një strukturë optike në të cilën realizohet përhapja e drejtuar e sinjalit të dritës. Shpikja e strukturës valësjellëse me mbështjellje çoi në propozimet e para serioze për të përdorur fibrat optike si një mjedis komunikacioni. Valësjellësit optikë mund të klasifikohen sipas karakteristikave të tyre në disa mënyra: Sipas formës së indeksit të thyerjes ata ndahen në valësjellës me indeks të thyerjes me ndryshim shkallë(step index) dhe me ndryshim gradual(graded index) Sipas numrit të mënyrave(modeve) të transmetimit të sinjalit të dritës ndahen ne valësjellës me një mënyrë të vetme,i cili quhet VO monomodë(single mode) dhe me shumë mënyra,VO multimode(multimode) .Sipas kufizimit të dritës ndahen në valësjellës dydimensional(2D) ose planarë,dhe tridimensional(3D) ose me kanal .Sipas strukturës së ndërtimit ata ndahen ne valësjellës me strukturë simetrike dhe asimetrike.

Metodat kryesore për projektimin e valësjellësave optikë

Metoda WKB(Wentzel-Kramers-Brouillon)

Kjo metodë përdoret për projektimin e valësjellësave optikë 2D. Kjo metodë mund të sigurojë një zgjidhje të përafërt për ekuacionin e valës me rastin kur ndryshimi i indeksit të thyerjes është i vogël në krahasim me gjatësinë e valës optike që përhapet. Ky kusht plotësohet më së miri nga valësjellësit me indeks gradual.

Metoda e indeksit efektiv

Kjo metodë rekomandohet kryesisht në valësjellës me kanal.Në këtë rast indeksi i thyerjes është variabël e dy drejtimeve: x dhe y.Me këtë metodë supozohet që fusha elektromagnetike mund të shihet si produkt i dy fushave, ku për secilën nga këto fusha shkruhet ekuacioni i vales.

Parimi Fizik i Fibrave Optike

Në Optoelektronikë ato janë materiale të cilat shërbejnë për të përçuar sinjalin dritor,të cilat kryesisht janë Laser. Përbëhen nga:

Bërthama
Manteli

si dhe nga një veshje e jashtme e cila siguron qëndrueshmerinë mekanike. Bërthama dhe Manteli janë elemente optike. Bërthama ka tregues thyerjeje më të madh se Manteli(mbështjellja).Një Fibër optike mund të trasmetojë një tufë drite Laser me një modë ose me shumë mode,fibrat monomodale janë shume të holla në krahasim me ato multimodale. Struktura e fibrës optike përbëhet prej zemrës me indeks të thyerjes $n_{1}$ të rrethuar nga mbeshtjellësi me indeks pak më të ulët $n_{2}$ .

Këndi i pranimit

Sipas teorisë së pasqyrimit të plotë të brendshëm vetëm rrezet që formojnë një kënd me normalen më të madh se këndi kritik $\phi _{c}$ në ndërfaqen zemër-mbështjellje,do të transmetohen gjatë fibrës .Jo të gjitha rrezet që hyjnë në fibër do të vazhdojnë të përhapen përgjatë gjatësisë së saj. Rrezet që do të transmetohen sipas pasqyrimit të plotë të brendshëm brenda zemrës së fibrës duhet të jenë rënëse në zemrën e fibrës brenda një koni pranimi, ku këndi i gjysmës konike përcaktohet i barabartë me $\theta _{a}$ .

Optical-fibre.

Hapja numerike

Hapja numerike(numerical aperture) jep një vlerësim të aftësisë së pranimit të dritës nga fibra. Ajo përcaktohet si $NA=n_{0}sin(\theta _{a})={\sqrt {n_{1}^{2}-n_{1}^{2}}}$

Hapja numerike mund të jetë gjithashtu edhe në varësi të ndryshimit relative të indekseve të thyerjes midis zemrës dhe mbështjeljes,i cili përcaktohet si: $\Delta ={\frac {n_{1}^{2}-n_{2}^{2}}{2n_{1}^{2}}}$ , ku për $\Delta <<1$ , $\Delta ={\frac {n1-n2}{n1}}$

Rrezet elikoidale

Rrezet elikoidale kanë përparësi ndaj rrezeve meridionale,sidomos lidhur me kushtet e pranimit të dritës në fibër. Hapja numerike për këto rreze përcaktohet nga relacioni i mëposhtëm : $n_{0}sin(\theta _{as})cos\gamma ={\sqrt {n_{1}^{2}-n_{1}^{2}}}=NA$

Rrezet elikoidale pranohen për një fiber të dhënë në kënde aksiale më të mëdha se rrezet meridionale

Shpejtësia e fazës dhe shpejtësia grup

Kur një valë drite monokromatike përhapet gjatë një valësjellësi në drejtim z, pikat me fazë konstante përhapen me një shpejtësi faze F qe jepet nga : $v_{p}={\frac {\omega }{\beta }}$

Shpejtësia grup lidhet me karakteristikat e përhapjes të grupeve të valëve të vrojtuara ose siç njihet ndryshe me paketën valore të dritës. Shpejtësia grup njehsohet nga: $v_{g}={\frac {d\lambda }{d\beta }}{\frac {d\omega }{d\lambda }}={\frac {c}{N_{g}}}$ ku $N_{g}$ është parametër i cili njihet si indeksi i grupit të valësjellësit.

Fibrat me indeks shkallë

Fibrat optike me indeks konstant të zemrës $n_{1}$ dhe një mbështjellje me indeks pak më të ulët $n_{2}$ njihen si fibra me indeks shkallë(step index) Forma e indeksit mund të përshkruhet si : $n(r)=\left\{{\begin{array}{c l}n_{1}&r<a{\mbox{ bërthama}}\\n_{2}&r\geq a{\mbox{ mbështjellje}}\end{array}}\right.$

Te fibrat me indeks shkallë që kanë parametra të pavarura nga distanca (indeksi i thyerjes,diametri i zemrës) nuk shfaqet çiftimi i mënyrës.

Fibrat me indeks gradual

Fibrat me indeks gradual nuk kanë indeks të thyerjes konstant në zemër, por një indeks të zemrës n(r) që zvogëlohet gjatë distances radiale nga një vlerë maksimale $n_{1}$ në aksin e fibrës në një vlerë $n_{2}$ në mbështjellje. Ky ndryshim mund të paraqitet si: $n(r)=\left\{{\begin{array}{c l}n_{1}{\sqrt {1-2\Delta ({\frac {r}{a}})^{\alpha })}}&r<a{\mbox{ bërthama}}\\n_{2}&r\geq a{\mbox{mbështjellje}}\end{array}}\right.$ ku $\Delta$ është ndryshimi relative i indeksit dhe $\alpha$ një parameter,që jep formën karakteristike të indeksit të zemrës.

Gjatësia valore e prerjes

Punimi monomodë arrihet mbi vetëm një gjatësi vale teorike të prerjes që jepet nga : $\lambda _{c}={\frac {2\pi an_{1}}{V_{c}}}{\sqrt {2\lambda }}$ ku $V_{c}$ paraqet frekuencën normalizuese të prerjes dhe $\lambda _{c}$ gjatësinë e vales mbi të cilën sigurohet përhapja e vetëm një mënyre për një fibër. Për fibra monomodë të projektuar për të punuar në diapazonin e gjatësive të vales 1-3 $\mu m$ rekomandohet që gjatesitë e valës së prerjes të shtrihen në diapazonin 1,1-1,28 $\mu m$ .Në këtë mënyrë mënjanohen zhurma modale dhe problemet e dispersionit.

Vonesa grup dhe faktori i vonesës modale

Koha tranzite e një vonese grupi F për një impuls që përhapet gjatë një njësi gjatësi të fibrës është inverse i shpejtësisë grup pra: $\tau _{g}={\frac {1}{\nu _{g}}}={\frac {d\beta }{d\omega }}={\frac {1}{c}}{\frac {d\beta }{dk}}={\frac {1}{c}}[N_{g2}+n_{2}\Delta {\frac {d(Vb)}{dV}}]$ Termi i parë jep varësinë e vonesës grup nga gjatësia e valës kur një valë plane uniforme përhapet në një mjedis me shtrirje infinit me një indeks theyrje që është i barabartë me atë të mbështjelljes. Ndërsa termi i dytë rrjedh nga aftësitë e transmetimit të fibrës dhe përcaktohet nga faktori i vonesës modale ${\frac {d(Vb)}{dV}}$ .

Shuarja

Shuarja ose humbja e transmetimit e fibrave optike ka rezultuar se është nga faktorët më të rëndësishëm për përdorimin e gjerë të këtyre fibrave në telekomunikacion. Shuarja e kanalit është ajo që në përgjithësi përcakton distancën maksimale të transmetimit, ku sinjali ruhet pa pësuar humbje. Në komunikimet optike shuarja jep sasinë e përgjithshme të humbjeve në decibel për njësi gjatësie. $\alpha _{dB}L=10\log {10}{\frac {P_{i}}{P_{o}}}$

Shpërndarja Rayeleigh

Shpërndarja Rayeleigh është dukuri mbizotëruese e humbjeve të brendshme në dritaren e absorbimit të ulët midis skajeve të absorbimit ultraviolet dhe infrared. Për një qelq të thjeshtë ajo jepet me shprehjen: $\gamma _{R}={\frac {8{\pi }^{3}}{3{\lambda }^{4}}}n^{8}p^{2}\beta _{c}KT_{F}$

Gjithashtu koeficienti I shpërndarjes Reyleigh është I lidhur me faktorin e humbjeve të transmetimit të fibrës që jepet nga relacioni: $H=e^{-\gamma _{R}L}$

Prodhimi

Në fabrikimin e fibrave optike për të siguruar transmetimin e dritës duhet të kemi një ndryshim të indekseve të thyerjes brenda fibrës(midis zemrës dhe mbështjelljes).Indeksi i thyerjes i materialit që do të formojë zemrën e fibrës duhet të ndryshojë me vlera të ulëta nga indeksi i materialit të mbështjelljes. Në veçanti kjo është e rëndësishme tek fibrat me indeks gradual, ku ndryshimi duhet të jetë i vazhdueshëm dhe jo shkallë.

Materialet e përdorura në fabrikimin e fibrave me indeks gradual janë vetëm materialet qelqore. Fibrat plastike kanë gjetur përdorim vetëm në disa aplikime në distancë të shkurtër dhe brez të ngushtë. Ekzistojnë dy metoda të fabrikimt të fibrave optike:

a)teknika tradicionale e përpunimt të qelqit: qelqi përpunohet në gjendje të shkrirë duke prodhuar një strukturë qelqore me shumë komponente.

b)metoda me depozitim në gjendje të avulltë: që prodhojnë qelqe të pasura me silic, që kanë temperatura të shkrirjes tepër të larta për të lejuar përpunimin e tyre me procesin tradicional të shkrirjes.

Fibrat Optike me Infra te kuqe

Fibrat optike infra të kuqe (IR) mund të përkufizohen si fibra optike që transmetojnë rrezatim me gjatësi vale më të mëdha se afërsisht 2 I¼ m. Fijet e para IR u krijuan në mesin e viteve 1960 nga një klasë mjaft e veçantë e qelqeve transparente IR të quajtura qelqe kalkogjenide. Prej disa kohësh dihej se përzierja e elementeve kalkogjen si arseniku dhe squfuri mund të formojë një gotë me ngjyrë të kuqe të errët që është transparent përtej 2 ¼ m.Kapany etj. raportoi për këto fibra të para IR në 1965, por humbjet ishin shumë të larta. Në fakt, humbjet ishin 10 dBâm të papërballueshme mbi spektrin IR nga 2 në 8 I¼m. Një humbje prej 10 dBâm do të thotë se një gjatësi prej vetëm 1 m e fibrës As2S3 do të transmetonte vetëm 10% të dritës së rënë, përveç humbjeve të reflektimit nga faqet fundore të fibrës.

Perdorimet

Fibra e largët infra të kuqe mund të lëshojë një dozë të ulët të rrezeve infra të kuqe të largëta dhe të sigurojë mbajtjen e nxehtësisë dhe vetitë e energjisë termike; mund të përdoret si tekstile shëndetësore që bëjnë të mundur plotësimin e kërkesave të njerëzve për terapi me rreze infra të kuqe, përmirësojnë mikroqarkullimin e trupit dhe nxisin metabolizmin. Pluhurat qeramike përdoren gjithmonë në fijet e largëta infra të kuqe

Shiko edhe

Referime

Bibliografia

“Komunikimet me fibra optike”,Rozeta Mitrushi,Tiranë 2001
“An overview of optical fibre technology”,Zulfiqar Ali Imran,Pakistan
“Reliable Data Communication via Fibre Optic Cables”,Westermo
“Optical Fiber Communications”,Gerd Keiser,2nd edition