Włókna z cieczowym rdzeniem oraz włókna plastykowe Liquid-Core and Polymer Optical Fibers
Prowadzenie światła w falowodach cieczowych Zastosowanie falowodów cieczowych Włókna polimerowe Efekt propagacji światła w POF Rodzaje POF
Prowadzenie światła w falowodach cieczowych Są to włókna wielomodowe, których teoretyczny opis dobrze jest opanowany na bazie opisu włókien telekomunikacyjnych typu step-index, działających na zasadzie całkowitego wewnętrznego odbicia. Pozwala to na określenie głównych zalet propagacyjnych jakimi są: duża NA, szerokie pasmo transmisyjne, możliwości sterowania własnościami polaryzacyjnymi (dla wypełnienia LC). Wypełnienie cieczą włókna z pustym rdzeniem odbywa się na bazie wykorzystania ciśnienia hydrostatycznego oraz średnicy włókna; czas T wypełnienia włókna o długości L: FIG. 1 Typowe włókno z cieczowym rdzeniem. Materiały najczęściej stosowane: - bromobenzen, o-dichlorobenzen - woda, - etanol, - ciekłe kryształy. gdzie P zastosowane ciśnienie, m współczynnik lepkości cieczy, d - średnica rdzenia. Ale maksymalne ciśnienie to: S - naprężenia szkła, D - zewnętrzna średnica włókna
Zastosowania falowodów cieczowych Możliwe zastosowania dotyczą transmisji w ultrafiolecie, zwiększenia efektów nieliniowych w cieczach, budowy elementów polaryzacyjncyh z wykorzystaniem LC, a także wykorzystanie specyficznych własności włókien mikrostrukturalnych: FIG. 2 Typowe wykonania włókien z cieczowym rdzeniem. włókno na IR (3.39 um) z wypełnieniem tetrachloroetylenem (10 4-10 5 db/km), czujniki chemicznych analitów komory reakcyjne lub efekt Ramana, czujnik prądowy na bazie efektu Kerra, rozłożone czujniki temperatury na bazie pomiaru rozproszenia Rayleigh a (150 m włókna o 150-um rdzeniu w 30 minut, z NA = 0.2 @5.4 um i 0.54@ 589 nm i stratnością 13 db/km@900 nm), efekty nieliniowe ze względu na rozproszenie w cieczach.
Włókna polimerowe Po raz pierwszy zaprezentowane w latach 1960-tych przez DuPont miały stratność rzędu 1000 db/km, w latach 70-tych ok. 125 db/km@650 nm co przy 1 db/km włókien SOF spowodowało zaprzestanie w latach 90-tych prac nad POF, jednakże przejście z AC na DC zmienia sytuację radykalnie dla tzw. transmisji krótkozasięgowej (do ok. 300 m). Zasadniczy materiał to PMMA polymetylometaakryl, gdzie rozproszenie Rayleight a i silna absorpcja na molekułach C-H daje straty rzędu 100 db/km z minimami na 520, 570 i 650 nm (niższe straty poprzez zastąpienie atomu wodoru cięższymi pierwiastkami fluorem CYTOP kompletnie fluorowy polymer; dla PF-GI-POF 10 db/km). PMMA - temperatura +70 +85 O C!!! FIG. 3 Stratność PMMA-POF oraz PF-GI-POF
Efekt propagacji światła w POF Duża NA oraz krótka długość fali działania daje olbrzymią ilość modów 1 mm POF z NA=0.50 ma 2.5 mln modów, jednakże efekty modowe są niezwykle silne, np. wysokie straty w płaszczu, silne mieszanie modowe, oddziaływanie rdzeń/płaszcz. FIG. 4 Wpływ absorpcji płaszcza na straty FIG. 5 Wpływ start zależnych od modu na rozkład pola FIG. 6 Pasmo w funkcji długości 1 mm PMMA-POF oraz 200-um SI-PCF (Plastic clad silica)
Rodzaje POF SI-POF POF o skokowym rozkładzie współczynnika załamania. NA=0.50 standardowy POF z pasmem ok. 40 MHz dla 100 odcinka, NA=0.30 low-na POF z pasmem 100Mz/100m FIG. 7 Struktura SI-POF FIG. 8 Struktura DSI-POF DSI-POF POF o podwójnym skokowym rozkładzie współczynnika złamania z NA=0.30, konstrukcja optymalizowana ze względu na straty zgięciowe FIG. 9 Działanie zgiętego DSI-POF
MC POF wielordzeniowe włókno (duże pasmo i mała czułość zgięciowa jest trudno osiągalna dla 1mm-POF) kompromis Asahi (19 do 200 rdzeni) dających w sumie 1 mm rdzeń). Może być MC DSI POF FIG. 10 Struktura MC-POF FIG. 11 Struktura MC-POF FIG. 12 Przykłady MC POF GI-POF POF o gradientowym rozkładzie współczynnika złamania 4GHz/200m FIG. 13 Przykłady GI POF oraz MSI POF
IEC 60793 określiło standardy na POF: A4a-A4c jako SI-PMMA POF dla mobilnych sieci, zastosowań domowych i automatyki, A4d DSI dla szybkiego ethernetu i IEEEI 394, A4e dla GI i MSI POF szybkiego internetu, zaś A4f-A4h dla GI POF z szybkością transmisji do 10 Gbps.