Optik fiber

Fiber-optik^[1] və ya optik lif^[2][3] — şüşə və ya plastikin çəkilməsi (həmçinin ekstruziyası) üsuluyla əldə edilən, diametrcə insan tükündən bir qədər qalın əyilgən, şəffaf lif.^[4] Optik liflər elektrik kabellərinə nəzərən daha böyük ötürmə sürətinə malik olur ki, bu da verilənləri geniş buraxılış zolağında çox uzaq məsafələrə ötürməyə imkan verir.

Burada liflər metal məftilləri əvəz edir, çünki onlar siqnalları daha az itki ilə ötürür; bundan başqa liflər elektromaqnit maneələrinə qarşı dözümlüdür, amma metal məftillər üçün vəziyyət tam əksinədir.^[5] Həmçinin, liflər dəst şəklində bağlanılır və beləliklə fiberskopa oxşar olaraq burada da işıq və ya təsvir bir yerdən başqa yerə ötürülür.^[6] Xüsusi olaraq hazırlanmış liflər müxtəlif tətbiqlər üçün istifadə olunur, bunlardan bəziləri lifli optik sensorlar və lifli lazerlərdir.^[7]

Adətən, optik liflər sındırma əmsalı lif maddəsinin sındırma əmsalından kiçik olan örtük materialı ilə əhatə olunmuş nüvədən ibarət olur. İşıq lifin nüvəsi daxilində dalğaötürənlərin iş prinsipinə oxşar şəkildə yayılır.^[8] Çoxlu yayılma yollarını və ya eninə modları dəstəkləyən liflər çoxmodlu (multimod) liflər, bir modu dəstəkləyənlər isə birmodlu (monomod) liflər adlanır.^[9] Ümumiyyətlə, çoxmodlu liflərin nüvəsi daha böyükdür^[10] və onlar rabitədə böyük gücləri qısa məsafələrə ötürmək üçün tətbiq olunur.^[11] 1000 metrdən (3300 fut) uzun olan əksər kommunikasiya əlaqələri üçün təkmodlu liflərdən istifadə olunur.

Optik liflərin aşağı itkilərlə birləşdirilməsi optika rabitə üçün çox vacibdir.^[12] Bu elektrik naqilini və ya kabelini birləşdirməkdən daha mürəkkəbdir və liflərin diqqətlə kəsilməsini, lif nüvələrinin dəqiq uyğunlaşdırılmasını və bu nüvələrin düzgün birləşdirilməsini əhatə edir. Daimi əlaqə tələb edən tətbiqlər üçün qaynaq birləşməsi adi haldır. Bu üsulda liflərin uclarını birlikdə əritmək üçün elektrik qövsündən istifadə olunur. Başqa bir yayğın üsul, liflərin uclarını mexaniki qüvvələr hesabına kontakt vəziyyətində saxlayan mexaniki birləşmədir. Müvəqqəti və ya yarımdaimi birləşmələr xüsusi konnektorlar vasitəsilə həyata keçirilir.^[13]

Optik liflərin layihələndirilməsi və tətbiqi ilə məşğul olan tətbiqi elm və mühəndislik sahəsi lifli optika adlanır. Bu termin lifli optikanın atası kimi tanınan hind əsilli amerikan fiziki Narinder Sinq Kapani tərəfindən təklif edilmişdir.^[14]

Lifli optikanın əsas iş prinsipi olan işığın sınma yoluyla ötürülməsi ilk dəfə 1840-cı illərin əvvəllərində Parisdə Daniel Kolladon və Jak Babine tərəfindən nümayiş etdirilmişdir. Con Tindal 12 il sonra bu nümayişi Londonda verdiyi açıq mühazirələrə daxil etmişdir.^[15] Həmçinin Tindal 1870-ci ildə işığın təbiətinə həsr olunmuş giriş kitabında tam daxili qayıtma xassəsi haqqında da yazırdı:^[16][17]

İşıq havadan suya keçəndə sınmış şüa perpendikulyara doğru meyl edir … Şüa sudan havaya keçəndə perpendikulyardan uzaqlaşır… Sudakı şüa ilə perpendikulyar arasındakı bucaq 48 dərəcədən çox olarsa, şüa sudan ümumiyyətlə çıxmayacaq: səthdən tam qayıdacaq… Tam qayıtmanın başlanğıc həddini ifadə edən bucaq mühitin limit bucağı adlanır. Su üçün bu bucaq 48°27', flint tipli şüşə üçün 38°41', almaz üçün isə 23°42'-dir.

19-cu əsrin sonu, 20-ci əsrin əvvəllərində bədən boşluqlarının işıqlandırılması məqsədilə işıq əyilmiş şüşə çubuqlar vasitəsilə ötürülürdü.^[18] XX əsrin əvvəllərində onlar stomatolgiya kimi sahələrdə tətbiq edilirdi. Təsvirlərin borucuqlar vasitəsilə ötürülməsi 1920-lərdə radio eksperimentatoru Klarens Hansel və televiziya təşəbbüskarı Con Loqi Bayrd tərəfindən müstəqil şəkildə nümayiş etdirildi. 1930-larda Henrix Lam təsvirlərin izolə edilməmiş optik liflər dəstsi vasitəsilə ötürə biləcəyini və bunun daxili tibbi müayinələr üçün istifadə edilə biləcəyini göstərdi, lakin onun işlərinin böyük bir hissəsi tezliklə unuduldu.^[15][19]

1953-cü ildə holland alimi Bram van Hil ilk dəfə şəffaf örtüklü optik lif dəstlərinin vasitəsilə təsvirin ötürülməsini nümayiş etdirdi.^[19] Elə həmin il Londondakı İmperator Kollecində Harold Hopkins və Narinder Sinq Kapani 10.000-dən çox lifdən ibarət təsvir ötürən dəstlər hazırlamağa müvəffəq oldular və sonradan bir neçə min lifi birləşdirən 75 sm uzunluğundakı dəst vasitəsilə təsviri ötürə bildilər.^[19][20][21] İlk praktik lifli optik yarıməyilgən qastroskop 1956-cı ildə Miçiqan Universitetinin tədqiqatçıları Basil Hirşovitz, C. Vilbur Piters və Laurens E. Körtis tərəfindən patentləşdirilmişdir. Qastroskopun yaradılması prosesində Körtis ilk dəfə olaraq örtüklü şüşə liflərdən istifadə etmişdi; əvvəlki optik liflərdə isə kiçik sındırma əmsalıa malik örtük materialı kimi havadan, qeyri-praktik yağ və mumlardan istifadə edilirdi.^[19]

Kapani lifli optika terminini irəli sürdü, həmçinin 1960-cı ildə bu yeni sahə haqqında Scientific American jurnalında mövzunu geniş auditoriyaya çatdıran məqaləsini və bu sahəyə həsr olunmuş ilk kitabını yazdı.^[19][22]

Verilənləri lifli-optik ötürmə sistemi ilk dəfə 1965-ci ildə Ulmdakı Telefunken Tədqiqat Laboratoriyasında alman fiziki Manfred Börner tərəfindən nümayiş etdirildi və bunun ardınca 1966-cı ildə bu texnologiya üçün ilk patent müraciəti edildi.^[23][24]

1968-ci ildə NASA Aya göndərdilən televiziya kameralarında lifli optikadan istifadə edirdi. O zamanlar kameraların istifadəsi məxfilər sinfinə aid edilirdi və kameraları işlədən işçilərə müvafiq təhlükəsizlik icazəsinə malik şəxs tərəfindən nəzarət edilməli idi.^[25]

1965-ci ildə Britaniyanın Standard Telephones and Cables (STC) şirkətindən Çarlz K. Kao və Corc A. Hokham ilk dəfə irəli sürdülər ki, optik liflərdəki zəifləməni hər kilometrdə 20 desibel (dB/km) azaltmaqla liflərdən rabitə vasitəsi kimi istifadə etmək olar.^[26] Onlar həmin dövrdə mövcud liflərdəki zəifləmənin səpilmə kimi fundamental fiziki təsirlərdən yox, aradan qaldırılması mümkün olan qeyri-təmizlikdən qaynaqlandığını önə sürdülər. Onlar lifin işıqitirmə xüsusiyyətlərinin dolğun və sistematik nəzəriyyəsini yaratdılar və belə liflər üçün istifadə ediləcək ən əlverişli materialı—yüksək təmizlikli silisium şüşəsini seçdilər. Bu kəşf 2009-cu ildə Kaoya Fizika üzrə Nobel Mükafatını qazandırdı.^[27] 20 dB/km-lik mühüm zəifləmə həddi ilk dəfə 1970-ci ildə Amerika şüşə istehsalçısı Corning Glass Works-də işləyən tədqiqatçılar Robert D. Maurer, Donald Kek, Piter C. Şults və Frenk Zimar tərəfindən əldə edildi.^[28] Onlar silisium şüşəsini titanla aşqarlamaqla 17 dB/km zəifləməyə malik lif əldə etdilər. Bir neçə il sonra onlar germanium dioksid aşqarından istifadə edərək cəmi 4 dB/km zəifləməyə malik lif istehsal etdilər. 1981-ci ildə General Electric 25 milə (40 km) qədər tel şəklində uzadıla bilən əridilmiş kvars külçələrin istehsalına başladı.^[29]

Əvvəlcə yüksək keyfiyyətli optik lifləri yalnız saniyədə 2 metr sürətlə istehsal edə bilirdilər. 1983-cü ildə kimya mühəndisi Tomas Mensah, Corning-ə qoşuldu və istehsal sürətini saniyədə 50 metrdən çox artırdı, bu da lifli optik kabellərin ənənəvi mis kabellərdən daha ucuz başa gəlməsinə səbəb oldu.^[30] Bütün bu yeniliklər optik lifli telekommunikasiya erasının başlanğıcını qoydu.

İtalyan tədqiqat mərkəzi CSELT praktiki lifli optik kabelləri təkmilləşdirmək üçün Corning-lə birlikdə çalışmağa başladı və nəticədə 1977-ci ildə ilk dəfə olaraq Turin şəhərində lifli optik kabellərin çəkilməsinə başlanıldı.^[31][32] Həmçinin tezliklə CSELT Sprinqruv adlanan yeni bir üsulu irəli sürdü.^[33]

Müasir optik kabellərdəki zəifləmə mis məftilli elektrik kabellərinə nəzərən çox kiçikdir və 70–150 km (43–93 mil) təkrarlanma məsafələrinə malik lifli əlaqəyə imkan yaradır.

1986–87-ci ildə Southampton universitetinin əməkdaşı Devid N. Peyn və Emmanüel Desurvirin^[34][35] rəhbərliyilə Bell laboratoriyasında^[36] optik-elektrik-optik təkrarlanmalarını azaltmaq və ya aradan qaldırmaqla uzun məsafəli lifli sistemlərin maliyyətini aşağı salan erbium aşqarlı lif gücləndiricisini hazırlandı.

1991-ci ildə fotonik kristallardan bəhs edən yeni sahə işığı tam daxili qayıtma ilə yox, dövri strukturdan difraksiya ilə istiqamətləndirən fotonik-kristal lifinin^[37] yaradılmasına səbəb oldu. İlk fotonik kristal liflər 2000-ci ildə satışa buraxıldı.^[38] Fotonik kristal liflər adi liflərə nəzərən daha böyük gücləri ötürə bilir və onun dalğa uzunluğundan asılı olan xassələrini manipulyasiya etməklə effektivliyini artırmaq olar.

Optik liflər əyilgən olması və kabellər halında yığılması səbəbiylə telekommunikasiya və kompüter şəbəkələri üçün vasitə kimi istifadə olunur. Onlar xüsusən də uzun məsafəli rabitə üçün əlverişlidir, çünki infraqırmızı işıq lif vasitəsilə elektrik kabellərindəki elektriklə müqayisədə daha az zəifləmə ilə yayılır. Bu, bir neçə təkrarlama (regenerasiya) ilə uzun məsafələri qət etməyə imkan verir.

Yerləşdirilmiş sistemlər üçün 10 və ya 40 Qbit/s tipikdir.^[39][40]

Hər bir lif, dalğa uzunluğunu bölünməsiylə multipleksiya (DBM) aparıldıqda, hər biri fərqli bir işıq dalğa uzunluğundan istifadə edən bir çox müstəqil kanalı daşıya bilər. Hər bir lifə düşən yekun data sürəti (əlavə baytlar olmadan), FEC əlavə yükü tərəfindən kanal sayı ilə vurulan kanal başına data sürətidir (2008-dən etibarən kommersial sıx DBM sistemlərində, adətən, 80-ə qədər).

Ötürmə sürətinin mərhələləri

Tarix	Mərhələ
2006	111 Qbit/s, NTT tərəfindən.[41][42]
2009	100 Pbit/s·km (hər 7000 km lifə 15,5 Tbit/s), Bell Labs tərəfindən.[43]
2011	101 Tbit/s (hər bir 273 Qbit/s sürətə 370 kanal), tək bir nüvədə.[44]
Yanvar 2013	1.05 Pbit/s, çoxnüvəli lifli kabel vasitəsilə ötürülmə.[45]
İyun 2013	400 Qbit/s, 4-modlu orbital impuls momenti multipleksləşdirilməsindən istifadə etməklə bir kanal üzrə.[46]

Lifli kabelləşdirmənin qısa məsafə üzrə (məsələn, ofis binasının şəbəkəsi üçün) aparılması kabel kanallarındakı intervala qənaət edə bilər. Çünki bir lif, adətən, 100 Mbit/s və ya 1 Qbit/s ötürmə sürətinə malik standart kateqoriyalı 5 elektrik kabeli ilə müqayisədə daha çox veriləni daşıya bilir.

Çox vaxt liflərdən cihazlar arasındakı qısa məsafəli qoşulmalarda da istifadə edilir. Məsələn, yüksək dəqiqlikli televizorların əksəriyyəti rəqəmsal audio optik əlaqəyə malikdir. Bu optik TOSLINK bağlantısı üzərindən S/PDIF protokolunu istifadə edərək səsi işıq vasitəsilə ötürməyə imkan verir.

Liflər məsafədən zondlamada çoxlu tətbiqlərə malikdir. Bəzi tətbiqlərdə sensorun özü optik lif olur. Lifin köməyilə şüalanmanı ölçmə sensoruna yönəldirlər. Digər hallarda, sensoru ölçmə sisteminə qoşmaq üçün lifdən istifadə olunur.

Optik lifləri modifikasiya etməklə mexaniki gərginliyi, temperaturu, təzyiqi və digər kəmiyyətləri ölçən sensor kimi istifadə edilə bilər ki, bu da lifdəki işıq intensivliyinin, fazasının, polyarlaşmasının, dalğa uzunluğunun və ya keçid vaxtının modullaşdırılmasını tələb edir. Ən sadə sensorlar işığın intensivliyini dəyişən sensorlardır, çünki bu zaman yalnız mənbə və detektor tələb olunur. Bu cür lifli optik sensorların fərqlənən cəhəti ondan ibarətdir ki, onlar bir metrə qədər məsafədə tələb olunan paylanmış həssaslığı təmin edə bilir. Buna qarşılıq olaraq, miniatürləşdirilmiş sensor elementlərini lifin ucuna birləşdirməklə yüksək lokalizasiyalı ölçmələri aparmaq olar.^[47] Bunlar müxtəlif mikro- və nanoemal texnologiyaları ilə həyata keçirilə bilər ki, onlar lif ucunun mikroskopik sərhəddini keçməsin və lifin dərialtı iynə vasitəsilə qan damarlarına daxil edilməsi kimi tətbiqlərə imkan versin.

Xarici lifli optik sensorlar, modulyasiyaya uğramış işığı qeyri-lifli optik sensordan və ya hər hansı bir optik vericiyə qoşulmuş elektron sensordan ötürmək üçün, adətən, çoxmodlu lifli optik kabeldən istifadə edirlər. Xarici sensorların başlıca üstünlüyü onların yaxın olmayan yerlərlə əlaqə yaratmaq qabiliyyətidir. Bir nümunə, şüalanmanı mühərrikdən kənarda yerləşən pirometrə ötürmək üçün lifdən istifadə etməklə reaktiv mühərriklərin daxili temperaturunun ölçülməsidir. Xarici sensorlar, həddindən artıq elektromaqnit sahələrinin digər ölçmə üsullarını qeyri-mümkün etdiyi elektrik transformatorlarının daxili temperaturunu ölçmək üçün eyni şəkildə istifadə edilə bilər. Xarici sensorlar vibrasiya, fırlanma, yerdəyişmə, sürət, təcil, fırlanma momenti və burulmanı ölçür. İşığın interferensiyasından istifadə edərək, giroskopun bərk haldakı versiyası hazırlanmışdır. Lifli optik giroskopun (LOG) hərəkət edən hissələri yoxdur və mexaniki fırlanmanı aşkar etmək üçün Saqnak effektinə əsaslanır.

Lifli optik sensorların ümumi istifadəsinə müdaxiləni aşkarlayan qabaqcıl təhlükəsizlik sistemləri daxildir. İşıq hasara, boru kəmərinə və ya rabitə kabelinə yerləşdirilmiş lifli optik sensorun kabeli boyunca ötürülür və geri qaytarılan siqnalın monitorinqi və pozuntuların təhlili aparılır. Bu qayıdış siqnalı pozuntuları aşkar etmək və müdaxilə baş verdikdə həyəcan siqnalının işə salınması üçün rəqəmsal formada emal olunur.

Optik liflər optik kimyəvi sensorların və optik biosensorların komponentləri kimi geniş istifadə olunur.^[48]

Optik lif işığı elektrik enerjisinə çevirmək üçün fotoelementlərdən istifadə edərək gücün ötürülməsində istifadə edilə bilər.^[49] Bu cür enerji ötürmə üsulu adi üsullar qədər səmərəli olmasa da, güclü maqnit sahələri yaradan MRT aparatlarının yaxınlığında istifadə üçün metal naqillərdən istifadə arzuolunmaz olduqda xüsusilə yararlıdır.^[50] Digər misallar yüksək güclü antena elementlərindəki elektronikanı və yüksək gərginlikli ötürmə avadanlıqlarında istifadə olunan ölçmə cihazlarını gücləndirmək üçündür.

Optik liflər tibbi və digər tətbiqlərdə işıq ötürücüsü kimi istifadə olunur, çünki burada parlaq işığın aydın görmə xəttinə malik olmayan obyektin işıqlandırılması lazımdır. Bir çox mikroskoplarda tədqiq olunan nümunələrin intensiv işıqlandırılmasını təmin etmək üçün lifli optik işıq mənbələrindən istifadə edilir.

Optik lifdən görüntüləmə optikasında da istifadə edilir. Ardıcıl liflər dəstindən bəzən linzalarla birlikdə obyektləri kiçik bir dəlikdən görmək üçün istifadə edilən, endoskop adanan uzun, nazik görüntüləmə cihazı üçün istifadə olunur. Tibbi endoskoplar minimal invaziv araşdırmalar və ya cərrahi prosedurlar üçün istifadə olunur. Sənaye endoskopları (məsələn, fiberskop və ya boroskop) reaktiv mühərrikin daxili hissələri kimi əlçatmaz olan hər şeyi yoxlamaq üçün istifadə olunur.

Bəzi binalarda optik liflər günəş işığını damdan binanın digər hissələrinə ötürür (bax: təsvirsiz optika). Lifli optik lampalar, lövhələr, rəsmlər, oyuncaqlar və süni Milad ağacları da daxil olmaqla dekorativ tətbiqlərdə işıqlandırma üçün istifadə olunur. Optik lif işıq ötürən beton tikinti məhsulu LiTraCon-un ayrılmaz hissəsidir.

Optik lif strukturlu sağlamlıq monitorinqində də istifadə edilə bilər. Bu tip sensorlar strukturlara davamlı təsir göstərə biləcək elektrik gərginliklərini aşkar edə bilir. İş prinsipi analoq zəifləmənin ölçülməsinə əsaslanır.

Spektroskopiyada optik lif dəstləri, tərkibini analiz etmək üçün spektrometrdən işığı spektrometrin daxilinə yerləşdirilə bilməyən bir maddəyə ötürür. Spektrometr, sıçrayan işığın vasitəsilə onların daxilindən keçərək maddələri analiz edir. Lifli spektrometrdən obyektlərin uzaqdan tədqiqi üçün istifadə edilə bilər.^[51][52][53]

Erbium kimi bəzi nadir torpaq elementləriylə aşqarlanmış optik lif lazer və ya optik gücləndiricilərdə gücləndirmə mühiti kimi istifadə edilə bilər. Nadir torpaq aşqarlı optik liflər, aşqarlanmış lifin qısa bir hissəsini stabil (aşqarsız) optik lif xəttinə birləşdirməklə siqnal gücləndirilməsini təmin etmək üçün istifadə edilə bilər. Aşqarlanmış lif, siqnal dalğasına əlavə olaraq xəttə birləşdirilən ikinci lazer dalğa uzunluğu ilə optik olaraq nasoslanır. İşığın hər iki dalğa uzunluğu enerjini ikinci nasos dalğa uzunluğundan siqnal dalğasına ötürən aşqarlı lif vasitəsilə ötürülür. Güclənməyə səbəb olan proses məcburi şüalanmadır.

Bir çox hallarda optik lifdən qeyri-xətti mühit kimi də istifadə olunur. Şüşə mühit bir sıra qeyri-xətti optik qarşılıqlı əlaqəni dəstəkləyir və lifdə mümkün olan uzun qarşılıqlı təsir uzunluqları tətbiqlər və fundamental araşdırmalar üçün istifadə olunan müxtəlif hadisələri asanlaşdırır.^[54] Digər tərəfdən isə lifin qeyri-xəttiliyi optik siqnallara zərərli təsir göstərə bilər və bu cür arzuolunmaz təsirləri minimuma endirmək üçün çox vaxt tədbirlər tələb olunur.

Dalğa uzunluğu dəyişdiricisi ilə aşqarlanmış optik liflər fizika təcrübələrində ssintilyasiya işığını toplayır.

Tapança, tüfəng və avtomatlarında hədəfalmanı yaxşılaşdırmaq üçün optik lif parçalarına malik nişangahlardan istifadə edilir.

Optik lif dielektrik (qeyri-keçirici) dalğaötürən olub, ümumi daxili qayıtma hadisəsinə əsaslanaraq işığı öz oxu boyunca ötürür. Lif hər ikisi dielektrik materiallarından hazırlanmış örtük təbəqəsi ilə əhatə olunmuş nüvədən ibarətdir.^[55] Nüvədəki optik siqnalı məhdudlaşdırmaq üçün nüvənin sındırma əmsalı örtüyünkündən daha böyük olmalıdır.

Nüvə və örtük arasındakı sərhəd, pilləli profilli liflərdə ani, qradiyent profilli liflərdə tədrici ola bilər. Optik lifləri işıqla təmin etmək üçün lazer və ya LED-lərdən istifadə etmək olar.

Lif elektrik maneələrinə qarşı dözümlüdür; müxtəlif kabellərdəki siqnallar arasında arzuolunmaz çarpazlaşmalar olmur və xarici mühit küyləri qəbulu edilmir.

Lifli kabellər elektrik cərəyanını keçirmir, bu da lifi enerji istehsalı müəssisələri və ya ildırımvurmaya meylli tətbiqlər kimi yüksək gərginlikli mühitlərdə rabitə avadanlığının qorunması üçün əhəmiyyətli edir. Elektrik izolyasiyası həmçinin torpaqlama ilgəkləriylə bağlı problemlərin qarşısını alır. Optik kabellərdə potensial olaraq qığılcım yarada biləcək elektrik olmadığı üçün, onlar partlayıcı qazların mövcud olduğu mühitlərdə istifadə edilə bilər. Simli dinləmə (bu halda, fiber dinləmə) elektrik rabitələri ilə müqayisədə daha çətindir.

Lifli kabellər metal oğrularına yaramır. Bunun əksinə olaraq, böyük miqdarda misdən istifadə edən kabel sistemləri 2000-ci illərin əmtəə partlayışından sonra hücum hədəfinə çevrilmişdir.

İşığın materialda yayılma sürətini ölçmək üçün sındırma əmsalından istifadə edilir. İşıq vakuumda, məsələn kosmik fəzada ən böyük sürətlə yayılır. İşığın vakuumdakı sürəti təqribən saniyədə 300000 kilometrdir (186000 mil/san). Mühitin sındırma əmsalı işığın vakuumdakı sürətini onun həmin mühitdəki sürətinə bölməklə hesablanır. Beləliklə, tərifə görə vakuumun sındırma əmsalı 1-dir. Telekommunikasiya üçün istifadə edilən tipik birmodlu lif, 1500 nm-də 1,444 əmsalına malik saf silisium-dioksidlə örtülür və nüvəsi təqribən 1,4475 əmsallı silisium-dioksidlə aşqarlanır.^[55] Sındırma əmsalı nə qədər böyükdürsə, işıq həmin mühitdə bir o qədər zəif yayılır. Bu məlumatdan alınan sadə bir qayda budur ki, rabitə məqsədilə optik liflə ötürülən siqnal təqribən saniyədə 200000 kilometr sürətlə hərəkət edəcək. Beləliklə, Sidney və Nyu York arasındakı 16000 kilometrlik məsafədən lif vasitəsilə aparılan telefon zəngi göstərir ki, zəng edənlə dinləyən arasında minimum 80 millisaniyəlik (təqribən saniyənin 1/12-i qədər) gecikmə yaranır.

Optik cəhətdən sıx bir mühitdə yayılan işıq düz bucaq altında (sərhəd üçün limit bucağından böyük) bir sərhədə dəydikdə, işıq tamamilə əks olunur. Buna tam daxili qayıtma deyilir. Bu effektdən işığı optik lifin nüvəsi daxilində məhdudlaşdırmaq üçün istifadə olunur. Müasir optik liflərin əksəriyyəti zəif istiqamətləndiricidir, yəni nüvə və örtüyün sındırma əmsalları arasındakı fərq çox kiçikdir (adətən 1%-dən azdır).^[56] İşıq lifin nüvəsindən keçir, nüvə və örtük arasındakı sərhəddən irəli və geri səpilir.

İşıq sərhədə limit bucağından daha böyük bucaq altında düşməli olduğundan, yalnız müəyyən bucaq diapazonunda lifə daxil olan işıq itkilər olmadan lif daxilində yayıla bilər. Bu bucaqlar diapazonuna lifin buraxma konusu deyilir. Lifə daxil olan işıqla lifin oxu arasında elə bir maksimum bucaq var ki, o lifin nüvəsi daxilində yayıla bilsin. Bu maksimum bucağın sinusu lifin ədədi aperturudur (ing. NA—numerical aperture). Daha böyük ədədi apertura malik lif, kiçik ədədi aperturlu liflə müqayisədə birləşmə və emal üçün daha az dəqiqlik tələb edir. Bu buraxma konusunun ölçüsü lifin nüvəsi və örtük arasındakı sındırma əmsalları fərqinin funksiyasıdır. Birmodlu lif kiçik ədədi apertura malikdir.

Böyük diametrli (10 mikrometrdən böyük) nüvəyə malik lif həndəsi optikanın köməyilə analiz edilə bilər. Elektromaqnit analizinə görə belə lif çoxmodlu lif adlanır (aşağıya baxın). Pilləli profilli çoxmodlu lifdə işıq şüaları ümumi daxili qayıtma nəticəsində lif nüvəsi boyunca istiqamətləndirilir. Bu sərhəd üçün limit bucağından daha böyük bir bucaqda (sərhədə normal olan xəttə nisbətən ölçülür) nüvə örtüyü sərhədinə cavab verən şüalar tamamilə əks olunur. Limit bucağı nüvə və örtük materialları arasındakı sındırma əmsalındakı fərqlə müəyyən edilir. Sərhədə kiçik bucaq altında düşən şüalar bitdiyi yerdə nüvədən örtüyə doğru sınır. Limit bucağı lifin buraxma bucağını müəyyən edir, çox zaman ədədi aperturla ifadə olunur. Yüksək ədədi apertur işığın həm oxa yaxın, həm də müxtəlif bucaqlarda şüalarda lifi aşağıya yaymasına imkan verir və işığın lifə səmərəli birləşməsinə imkan verir. Bununla belə, bu yüksək ədədi diafraqma dispersiyanın miqdarını artırır, çünki müxtəlif bucaqlardakı şüalar müxtəlif yol uzunluqlarına malikdir və buna görə də lifi keçmək üçün fərqli bir zaman tələb olunur.

Qradiyent profilli lifdə nüvənin sındırma əmsalı ox və örtük arasında davamlı olaraq azalır. Bu, işıq şüalarının nüvə-örtük sərhədindən kəskin şəkildə qayıtmasındansa, örtüklərə yaxınlaşdıqda hamar şəkildə meyllənməsinə səbəb olur. Yaranan əyri yollar çoxyollu dispersiyanı azaldır, çünki yüksək bucaqlı şüalar yüksək əmsallı mərkəzdən daha çox nüvənin aşağı əmsallı xarici səthindən keçir. Bu cür ideal profil əmsalla oxaqədərki məsafə arasındakı parabolik əlaqəyə çox yaxındır.

Nüvə diametri yayılan işığın dalğa uzunluğundan təqribən on dəfə az olan lif həndəsi optika ilə modelləşdirilə bilməz. Bunun əvəzinə, elektromaqnit dalğalarının tənliyinə gətirilən Maksvell tənliklərinə uyğun olaraq elektromaqnit dalğalarını ötürən struktur kimi təhlil edilməlidir. Optik dalğa bələdçisi olaraq, lif işığın lif boyunca yayıla biləcəyi bir və ya daha çox məhdud transvers rejimi dəstəkləyir. Yalnız bir rejimi dəstəkləyən lif tək rejim adlanır. Dalğaötürmə analizi göstərir ki, lifdəki işıq enerjisi nüvədə tamamilə məhdud deyil. Əvəzində, xüsusilə birmodlu liflərdə, bağlanmış rejimdə enerjinin əhəmiyyətli bir hissəsi sönükləşmiş dalğa kimi örtükdə hərəkət edir. Ən çox yayılmış tək rejimli lif növü 8–10 mikrometr diametrli nüvəyə malikdir və yaxın infraqırmızıda istifadə üçün nəzərdə tutulmuşdur. Müqayisə üçün, çox rejimli lif 50 mikrometrə qədər kiçik və yüzlərlə mikrometrə qədər böyük diametrlərdə istehsal olunur.

Bəzi xüsusi təyinatlı optik liflər silindrik olmayan özək və ya örtük təbəqəsi ilə, adətən elliptik və ya düzbucaqlı kəsiyi ilə tikilir. Bunlara lifli optik sensorlarda istifadə olunan polyarlaşmanı qoruyan lif və pıçıltılı qalereya rejiminin yayılmasının qarşısını almaq üçün nəzərdə tutulmuş lif daxildir.

Fotonik-kristal lifdə sınmanın müntəzəm dəyişikliyi nümunəsi ilə hazırlanır (çox vaxt lifin uzunluğu boyunca uzanan silindrik deşiklər şəklində). Bu cür lif işığın lifin nüvəsi ilə məhdudlaşdırmaq üçün ümumi daxili qayıtmanın əvəzinə və ya əlavə olaraq difraksiya effektlərindən istifadə edir. Beləliklə, lifin xüsusiyyətləri müxtəlif tətbiqlərə uyğunlaşdırıla bilər.

Ötürmə itkisi və ya lifli optikadakı zəifləmə, işıq siqnalının ötürücü mühitdən keçərkən intensivliyinin azalmasıdır. Lifli optikada zəifləmə əmsalları, adətən, dB/km vahidlərində ifadə edilir. Orta, adətən, silisium şüşə lifidir bu, daxil olan işıq şüasını məhdudlaşdırır. Zəifləmə rəqəmsal siqnalın böyük məsafələrə ötürülməsini məhdudlaşdıran mühüm amildir. Beləliklə, optik siqnalın zəifləməsini məhdudlaşdırmaq və gücləndirmək üçün çoxlu tədqiqatlar aparılmışdır. Əslində, zəifləmə dörd onillikdə silisium optik liflərinin zəifləməsinin dörd dəfə azaldılması, bu liflərin zəifləmənin nəzəri aşağı həddə yaxınlaşmasına imkan verən istehsal prosesləri, xammal təmizliyi, qabaqcadan formalaşdırma və lif dizaynlarının daim təkmilləşdirilməsinin nəticəsi idi.^[57]

Praktikada çox az itkiyə malik optik liflər almaq mümkündür. Telekommunikasiya dalğa uzunluqları üçün Corning-in standart birmodlu SMF-28 lifi 1550 nm-də 0,17 dB/km itkiyə malikdir.^[58] Məsələn, 8 km uzunluğunda SMF-28 1550 nm-də işığın təqribən 75%-ni ötürür. Qeyd edilmişdir ki, əgər okean suyu lif kimi şəffaf olsaydı, hətta Sakit Okeanda 11.000 metr (36.000 fut) dərinlikdə olan Mariana çökəkliyinin dibinə qədər bütün yolu görmək olardı.^[59]

Empirik tədqiqatlar göstərdi ki, optik lifdəki zəifləmə ilk növbədə səpilmə və udulma nəticəsində baş verir.

İşığın optik lifin nüvəsi vasitəsilə yayılması işıq dalğasının tam daxili qayıtmasına əsaslanır. Nahamar və nizamsız səthlər, hətta molekulyar səviyyədə belə, işıq şüalarının təsadüfi istiqamətlərdə qayıtmasına səbəb ola bilər. Bu, diffuz qayıtma və ya səpilmə adlanır və o, adətən, qayıtma bucaqlarının müxtəlifliyi ilə xarakterizə olunur.

İşığın səpilməsi səpilən işığın dalğa uzunluğundan asılıdır. Beləliklə, görünmənin məkan miqyasında məhdudiyyətlər, düşən işıq dalğasının tezliyindən və səpilmə mərkəzinin fiziki ölçüsündən (və ya fəza miqyasından) asılı olaraq yaranır ki, bu da, adətən, hansısa spesifik mikrostruktur xüsusiyyəti şəklindədir. Görünən işığın dalğa uzunluğu bir mikrometr (metrin milyonda biri) səviyyəsində olduğundan, səpilmə mərkəzləri oxşar məkan miqyasındakı ölçülərə sahib olacaqdır.

Beləliklə, zəifləmə işığın daxili səthlərə və sərhədlərə uyğun olmayan səpilməsi nəticəsində baş verir. Metal və keramika kimi (poli)kristal materiallarda, məsamələrə əlavə olaraq, daxili səthlərin və ya interfeyslərin əksəriyyəti kristal nizamın kiçik bölgələrini ayıran taxıl sərhədləri şəklindədir. Bu yaxınlarda göstərilmişdir ki, səpilmə mərkəzinin (və ya dənə sərhədinin) ölçüsü səpilən işığın dalğa uzunluğunun ölçüsündən kiçik olduqda, artıq böyük ölçüdə əhəmiyyətli səpilmələr baş vermir. Bu fenomen şəffaf keramika materiallarının istehsalına səbəb olmuşdur.

Eynilə, optik keyfiyyətli şüşə lifdə işığın səpilməsi şüşə strukturunda molekulyar səviyyədə pozuntular (kompozisiya dalğalanmaları) nəticəsində yaranır. Həqiqətən, ortaya çıxan düşüncə məktəblərindən biri budur ki, şüşə sadəcə polikristal bərk cismin məhdudlaşdırıcı halıdır. Bu çərçivədə müxtəlif dərəcələrdə qısa məsafəli nizam nümayiş etdirən "domenlər" həm metalların, həm ərintilərin, həm də şüşə və keramikaların "quruluş daşına" çevrilir. Həm bu sahələr arasında, həm də onların daxilində paylanmış mikrostruktur qüsurları işığın səpilməsi üçün ən ideal mövqeləri təmin edir. Eyni fenomen İQ raket qübbələrinin şəffaflığında məhdudlaşdırıcı amillərdən biri kimi qəbul edilir.^[60]

Yüksək optik güclərdə səpilmə lifdəki qeyri-xətti optik proseslərlə nəticəsində də baş verə bilər.^[61][62]

İşığın səpilməsi ilə yanaşı, zəifləmə və ya siqnal itkisi də rəngin görünüşündən məsul olana bənzər şəkildə xüsusi dalğa uzunluqlarının seçici udulması səbəbindən baş verə bilər. Əsas maddi xüsuslara aşağıdakı kimi həm elektronlar, həm də molekullar daxildir:

Elektron səviyyədə, bu, elektron orbitallarının ultrabənövşəyi (UB) və ya görünən diapazonlarda müəyyən dalğa uzunluğuna və ya tezliYə malik işıq kvantını (yaxud fotonu) udmaq üçün bir-birindən aralı olub-olmamasından (yaxud "kvantlaşdırılmış") asılıdır. Bu rəngin yaranmasına səbəb olur.

Atom və ya molekul səviyyəsində bu, atom və ya molekul rəqslərinin və ya kimyəvi rabitələrin tezliklərindən, onun atomlarının və ya molekullarının nə qədər sıx yığılmasından və atomların və ya molekulların uzun məsafəli nizam nümayiş etdirib-etdirməməsindən asılıdır. Bu amillər infraqırmızı (İQ), uzaq İQ, radio- və mikrodalğalı diapazonlarda daha uzun dalğaları ötürən materialın qabiliyyətini müəyyən edəcək.

Hər hansı bir optik şəffaf cihazın quruluşu onun xassələri və məhdudiyyətləri haqqında biliklərə əsaslanan materialların seçilməsini tələb edir. Aşağı tezlikli oblastlarda (orta İQ ilə uzaq İQ dalğa uzunluqları aralığında) müşahidə edilən qəfəsin udma xüsusiyyətləri materialın böyük dalğa uzunluğu şəffaflıq həddini müəyyən edir. Onlar kristallik qəfəsi təşkil edən atom və molekulların istilik rəqsləriylə işıq dalğasının şüalanması arasındakı qarşılıqlı əlaqənin nəticəsidir. Beləliklə, bütün materiallar uzaq infraqırmızıda (>10 mkm) atom və molekul rəqslərinə (rabitələrin uzanmasına) səbəb olan məhdudlaşdırıcı udulma oblastları ilə məhdudlaşır.

Beləliklə, çoxfononlu udulma iki və ya daha çox fonon eyni vaxtda qarşılıqlı təsir göstərdikdə, hadisə şüalanmanın qarşılıqlı əlaqədə ola biləcəyi elektrik dipol momentləri meydana gətirir. Tezlik uzaq infraqırmızıda molekulyar dipolun əsas rəqs moduna (məsələn, Si–O rabitəsi) və ya onun harmonikalarından birinə bərabər olduqda, bu dipollar baş verən şüalanmadan enerji udaraq şüalanma ilə maksimum qarşılıqlı əlaqəyə çata bilər.

Müəyyən bir material tərəfindən infraqırmızı (İQ) işığın seçici udulması işıq dalğasının seçilmiş tezliyinin həmin materialın hissəciklərinin rəqs tezliyinə (və ya tezliyin tam mislinə) uyğun gəldiyi üçün baş verir. Müxtəlif atom və molekulların rəqs tezlikəri müxtəlif olduğundan, onlar infraqırmızı (İQ) işığın müxtəlif tezliklərini (yaxud spektrin hissələrini) seçici şəkildə udurlar.

İşıq dalğalarının qayıtması və ötürülməsi həmin dalğaların tezliklərinin cisim rəqslərinin təbii rezonans tezliklərinə uyğun gəlmədiyi üçün baş verir. Bu tezliklərdəki İQ işıq obyektə çatdıqda, enerji ya qaytarılır, ya da ötürülür.

Bir kabel xətti üzərində zəifləmə, birləşdiricilərin və birləşmələrin daxil edilməsi ilə əhəmiyyətli dərəcədə artır. Ötürücü və qəbuledici arasında buraxılabilən zəifləmənin (itki ehtiyatı) hesabatına aşağıdakılar daxildir:

• lifli optik kabelin növünə və uzunluğuna nəzərən dB itkisi,
• Konnektorların yaratdığı dB itkisi və
• Birləşmə (qaynaq və mexaniki) yerlərindəki dB itkisi

Yaxşı cilalanmış hər bir konnektor üçün, adətən, 0,3 dB-lik itki uyğun gəlir. Qaynaq birləşmələri və mexaniki birləşmələr, adətən, hər bir əlavə üçün 0,3 dB-dən az itki verir.

Ümumi itkini aşağıdakı şəkildə hesablamaq olar:

İtki = hər konnektora düşən dB itkisi × konnektorların sayı + hər birləşməyə düşən dB itkisi × birləşmələrin sayı + hər kilometrə düşən dB itkisi × lifin kilometrajı

burada hər kilometrə düşən dB itkisi lifin növündən asılıdır və istehsalçının spesifikasiyalarında tapıla bilər. Məsələn, tipik 1550 nm birmodlu lif hər kilometrdə 0,4 dB itkiyə malik olur.

Hesablanmış itki ehtiyatı sınaq zamanı ölçülmüş itkilərin normal əməliyyat parametrləri daxilində olduğunu təsdiqləmək məqsədilə istifadə olunur.

Şüşə optik liflər demək olar ki, həmişə silisiumdan hazırlanır, lakin flüorosirkonat, fluoroalüminat və xalkogenid şüşə kimi bəzi materiallar, eləcə də sapfir kimi kristal materiallar daha uzun dalğa uzunluğunda infraqırmızı və ya digər xüsusi tətbiqlər üçün istifadə olunur. Silisium və flüorlu şüşələr, adətən, təqribən 1,5-ə yaxın sındırma əmsalına malikdir, lakin xalkogenidlər kimi bəzi materialların əmsalları 3-ə qədər yüksək ola bilər. Tipik olaraq nüvə və örtük arasındakı əmsallar fərqi bir faizdən azdır.

Plastik optik liflər (POL), adətən nüvəsinin diametri 0,5 millimetr və ya daha böyük olan pilləli profilli çoxmodlu liflərdir. POL, adətən, şüşə liflərdən daha yüksək zəifləmə əmsalına malikdir, 1 dB/m və ya daha yüksəkdir və bu yüksək zəifləmə POL əsaslı sistemlərin diapazonunu məhdudlaşdırır.

Silisium dioksid

Silisium geniş dalğa uzunluqlarında kifayət qədər yaxşı optik ötürmə nümayiş etdirir. Spektrin yaxın infraqırmızı (İQ-ya yaxın) hissəsində, xüsusən də təqribən 1,5 mkm, silisium 0,2 dB/km səviyyəsində olduqca aşağı udma və səpilmə itkilərinə malik ola bilər. Belə olduqca aşağı itkilər ultra təmiz silisiumdan istifadədən asılıdır. 1,4 mkm bölgədə yüksək şəffaflıq hidroksil qruplarının (OH) aşağı konsentrasiyasını saxlamaqla əldə edilir. Alternativ olaraq, yüksək OH konsentrasiyası ultrabənövşəyi (UB) oblastında ötürülmə üçün daha yaxşıdır.^[63]

Silisium kifayət qədər yüksək temperaturda liflərə çəkilə bilər və kifayət qədər geniş şüşə çevrilmə diapazonuna malikdir. Digər bir üstünlük ondan ibarətdir ki, silisium liflərinin əridilməsi və parçalanması nisbətən effektivdir. Silisium lifi, həmçinin lifin çox qalın olmaması və emal zamanı səthlərin yaxşı hazırlanması şərti ilə həm çəkilməyə, həm də hətta əyilməyə qarşı yüksək mexaniki gücə malikdir. Hətta lifin uclarının sadə parçalanması (sındırılması) məqbul optik keyfiyyətli gözəl düz səthlər təmin edə bilər. Silisium da nisbətən kimyəvi cəhətdən təsirsizdir. Xüsusilə, hiqroskopik deyil (suyu udmur).

Silisium şüşəsi müxtəlif materiallarla qatlana bilər. Dopinqin bir məqsədi qırılma indeksini artırmaq (məsələn, germanium dioksid (GeO₂) və ya alüminium oksid (Al₂O₃) ilə) və ya onu azaltmaq (məsələn, flüor və ya bor trioksid (B₂O₃) ilə). Lazer aktiv ionları (məsələn, nadir torpaq aşqarlı liflər) ilə, məsələn, lif gücləndiricilərində və ya lazer tətbiqlərində istifadə ediləcək aktiv lifləri əldə etmək üçün dopinq də mümkündür. Həm lif nüvəsi, həm də üzlük adətən aşqarlanır, belə ki, bütün montaj (əsas və üzlük) effektiv şəkildə eyni birləşmədir (məsələn, aluminosilikat, germanosilikat, fosfosilikat və ya borosilikat şüşə).

Xüsusilə aktiv liflər üçün təmiz silisium adətən çox uyğun bir şüşə deyil, çünki nadir torpaq ionları üçün aşağı həll qabiliyyətini nümayiş etdirir. Bu, dopant ionlarının qruplaşması səbəbindən söndürmə effektlərinə səbəb ola bilər. Alüminosilikatlar bu baxımdan daha effektivdir.

Silisium lifi də optik zədələnmə üçün yüksək həddi nümayiş etdirir. Bu xüsusiyyət lazerin yaratdığı parçalanma üçün aşağı meyli təmin edir. Bu, qısa impulsların gücləndirilməsi üçün istifadə edildikdə lif gücləndiriciləri üçün vacibdir.

Bu xüsusiyyətlərə görə silisium lifləri rabitə (plastik optik liflə çox qısa məsafələr istisna olmaqla), lifli lazerlər, lifli gücləndiricilər və lifli-optik sensorlar kimi bir çox optik tətbiqlərdə seçim materialıdır. Müxtəlif növ silisium liflərinin hazırlanmasında göstərilən böyük səylər bu cür liflərin digər materiallara nisbətən məhsuldarlığını daha da artırmışdır.^{[64][65][66][67][68][69][70][71]}

Flüorid şüşə

Flüorid şüşəsi müxtəlif metalların ftoridlərindən ibarət optik keyfiyyətli qeyri-oksid şüşələr sinfidir. Aşağı özlülüklərinə görə, şüşə keçidi (və ya ərintidən lif çəkməklə) emal edərkən kristallaşmanın tamamilə qarşısını almaq çox çətindir. Beləliklə, ağır metal flüorlu şüşələr (AMFŞ) çox aşağı optik zəifləmə nümayiş etdirsələr də, onların istehsalı nəinki çətin, həm də kifayət qədər kövrəkdir, nəmə və ətraf mühitin digər təsirlərinə zəif müqavimət göstərir. Onların ən yaxşı xüsusiyyəti, demək olar ki, bütün oksid əsaslı şüşələrdə mövcud olan hidroksil (OH) qrupu (3,200–3,600 sm-1; yəni 2,777–3,125 nm və ya 2,78–3,13 mkm) ilə əlaqəli udulma zolağının olmamasıdır. Ağır metal flüorid şüşəsinə misal sirkonium, barium, lantan, alüminium və natrium flüoridlərdən ibarət SBLAN şüşə qrupudur. Onların əsas texnoloji tətbiqinə həm planar, həm də lif şəklindəki optik dalğaötürənlər daxildir. Onlar xüsusilə orta infraqırmızı (2000–5000 nm) diapazonda üstünlük təşkil edirlər.

AMFŞ-lər əvvəlcə optik lif tətbiqləri üçün nəzərdə tutulmuşdu, çünki orta İQ lifinin daxili itkiləri prinsipcə yalnız təqribən 2 mkm-ə qədər şəffaf olan silisium liflərindən daha aşağı ola bilərdi. Bununla belə, bu cür aşağı itkilər praktikada heç vaxt həyata keçirilməmişdir və flüorid liflərinin kövrəkliyi və yüksək qiyməti onları əsas namizədlər kimi idealdan daha az etmişdir. Daha sonra, flüorid liflərinin digər müxtəlif tətbiqlər üçün faydalı olduğu kəşf edildi. Bunlara orta IR spektroskopiyası, lifli optik sensorlar, termometriya və görüntüləmə daxildir. Həmçinin, flüorid lifləri tibbi tətbiqlər (məsələn, oftalmologiya və stomatologiya) üçün tələb olunduğu kimi 2,9 mkm-də YAG (ittrium alüminium qranat) lazerləri kimi mühitlərdə idarə olunan işıq dalğasının ötürülməsi üçün istifadə edilə bilər.^[72][73]

Fosfat şüşə

Fosfat şüşəsi müxtəlif metalların metafosfatlarından ibarət optik şüşələr sinfini təşkil edir. Silikat şüşələrdə müşahidə olunan SiO₄ tetraedrinin əvəzinə, bu şüşə əmələ gətirən üçün quruluş vahidi ən azı dörd müxtəlif formada kristallaşan fosfor pentaoksididir (P₂O₅). Ən tanınmış polimorf (şəklə bax) P₄O₁₀ molekullarından ibarətdir.

Fosfat şüşələri, nadir torpaq ionlarının yüksək konsentrasiyası olan optik liflər üçün silisium şüşələrindən üstün ola bilər. Ftorlu şüşə və fosfat şüşəsinin qarışığı florofosfat şüşəsidir.^[74][75]

Xalkogenid şüşə

Dövri cədvəlin 16-cı qrupunun elementləri olan xalkogenlər—xüsusən kükürd (S), selenium (Se) və tellur (Te)—gümüş kimi daha çox elektromüsbət elementlərlə reaksiyaya girərək xalkogenidlər əmələ gətirirlər. Bunlar kristal və ya amorf, metal və ya yarımkeçirici, ion və ya elektronların keçiriciləri ola bilmələri baxımından çoxyönlü birləşmələrdir. Tərkibində xalkogenidlər olan şüşə uzaq infraqırmızı ötürmələr üçün liflərin hazırlanması məqsədilə istifadə edilə bilər.

Formalaşdırma

Standart optik liflər əvvəlcə diqqətlə idarə olunan sındırma əmsalı profilinə malik böyük diametrli "preforma"nın qurulması və sonra uzun, nazik optik lifi yaratmaq üçün preformanın "çəkilməsi" ilə hazırlanır. Preforma, adətən, üç kimyəvi buxar çökdürmə üsulu: daxili buxar çökdürmə, xarici buxar çökdürmə və aksial (oxboyu) buxar çökdürmə ilə hazırlanır.^[76]

Daxili buxarın çökməsi ilə, preforma təxminən 40 santimetr (16 düym) uzunluğunda içi boş şüşə boru kimi başlayır, üfüqi şəkildə yerləşdirilir və torna üzərində yavaş-yavaş fırlanır. Silisium tetraxlorid (SiCl₄) və ya germanium tetraxlorid (GeCl₄) kimi qazlar borunun ucuna oksigenlə injeksiya edilir. Daha sonra qazlar xarici hidrogen ocağı vasitəsilə qızdırılır və qazın temperaturu 1900 K-ə (1600 °C, 3000 °F) çatdırılır, burada tetraxloridlər oksigenlə reaksiyaya girərək silisium və ya germaniya (germanium dioksid) hissəcikləri əmələ gətirir. Reaksiya şərtləri bu reaksiyanın boru həcmi boyunca qaz fazasında baş verməsi üçün seçildikdə, reaksiyanın yalnız şüşə səthində baş verdiyi əvvəlki üsullardan fərqli olaraq, bu texnika modifikasiya olunmuş kimyəvi buxar çökdürmə (MKBÇ) adlanır.

Oksid hissəcikləri daha sonra yığılaraq böyük hissəcik zəncirləri əmələ gətirir və sonradan boru divarlarında his kimi çökür. Çöküntü qaz nüvəsi ilə divar arasındakı böyük temperatur fərqi ilə əlaqədardır ki, bu da qazın hissəciklərinin kənara itələnməsinə səbəb olur (buna termoforez hadisəsi deyilir). Daha sonra materialı bərabər şəkildə yerləşdirmək üçün məşəl borunun uzunluğu boyunca yuxarı və aşağı endirilir. Məşəl borunun sonuna çatdıqdan sonra yenidən borunun başlanğıcına gətirilir və yığılmış hissəciklər bərk təbəqə yaratmaq üçün əridilir. Bu proses kifayət qədər material yığılana qədər təkrarlanır. Hər bir təbəqə üçün kompozisiya qazın tərkibini dəyişdirməklə modifikasiya oluna bilir, nəticədə hazır lifin optik xüsusiyyətlərinə dəqiq nəzarət edilir.

Xarici və ya aksial buxar çökdürmə zamanı şüşə alov hidrolizi ilə əmələ gəlir, bu reaksiyada silisium tetraxlorid və germanium tetraxlorid oksihidrogen alovunda su (H₂O) ilə reaksiyaya girərək oksidləşir. Xarici buxarda çökmə zamanı şüşə bərk çubuq üzərinə yığılır və sonrakı emaldan əvvəl çıxarılır. Aksial buxar çökdürmədə qısa bir çoxaltma çubuğundan istifadə olunur və ucunda uzunluğu mənbə çubuğunun ölçüsü ilə məhdudlaşmayan məsaməli bir preforma qurulur. Məsaməli preforma təqribən 1,800 K-ə (1,500 °C, 2,800 °F) qədər qızdırılmaqla şəffaf, bərk preformaya birləşdirilir.

Tipik rabitə lifi dairəvi preformadan istifadə edir. İkiqat örtüklü liflər kimi bəzi tətbiqlər üçün başqa forma üstünlük verilir.^[77] İkiqat örtüklü lifə əsaslanan lifli lazerlərdə asimmetrik forma lazerin nasoslanması üçün doyma əmsalını yaxşılaşdırır.

Səthi gərilməyə görə, çəkmə prosesi zamanı hamarlanma gedir və nəticədə, yaranan lifin forması preformada təzədən kəskin kənarlar yaratmır. Buna baxmayaraq, preformanın diqqətlə cilalanması vacibdir, çünki preforma səthindəki hər hansı bir qüsur meydana gələn lifin optik və mexaniki xüsusiyyətlərinə təsir göstərir. Xüsusilə, şəkildə göstərilən sınaq lifi üçün preforma yaxşı cilalanmamışdır və konfokal optik mikroskopda çatlar görünür.

Çəkmə

Bununla birlikdə, preforma, preforma ucunun qızdırıldığı və optik lifin ip şəklində çəkildiyi, çəkmə qülləsi adlanan qurğuya yerləşdirilir. Nəticə lifin enini ölçməklə, lif qalınlığını qorumaq üçün lifin qalınlığına nəzarət edilə bilər.

İşıq, tam daxili qayıtma vasitəsilə işığı nüvədə saxlayan daha aşağı sındırma əmsalına malik optik örtüklə lifin nüvəsindən aşağıya doğru istiqamətləndirilir.

Örtük onu nəmdən və fiziki zədələrdən qoruyan mühafizə təbəqəsi ilə örtülmüşdür.^[65] Örtüyü tamamlamaq və ya birləşdirmək üçün qoruyucu təbəqəni lifdən ayırırlar. Bunlar örtük çəkmə prosesi zamanı lifin xarici səthinə tətbiq olunan UB şüa ilə yaxşılaşdırılmış uretan akrilat kompozit və ya polimid materiallarıdır. Örtüklər şüşə lifin incəliyini — təxminən insan saçının ölçüsünü — qoruyur və istehsal, dayanıqlıq sınaqları, kabel çəkmə və quraşdırma zamanı dayanaqlılıq nümayiş etdirməsinə imkan verir.

Bugünkü dövrdə şüşə lifin çəkilməsi prosesində ikiqat örtük yanaşması tətbiq edilir. Daxili ilkin örtük mikroəyilmə nəticəsində yaranan zəifləməni minimuma endirmək, "amortizator" kimi fəaliyyət göstərmək üçün nəzərdə tutulmuşdur. İkinci xarici örtük birinci örtüyü mexaniki zədələnmədən qoruyur və üfüqi qüvvələrə qarşı maneə rolunu oynayır və birləşdirilmiş kabel konstruksiyalarında telləri fərqləndirmək üçün rənglənə bilər.

Bu lifli optik örtük təbəqələri lif çəkilişi zamanı saatda 100 kilometrə (60 mil) yaxınlaşan sürətlə tətbiq olunur. Lifli optik örtüklər iki üsuldan biri ilə tətbiq olunur: yaş-quru və yaş-yaş. Yaş-quruda, lif ilkin örtük tətbiqindən keçir, daha sonra UB ilə möhkəmləşdirilir, sonra ikincili örtük tətbiqindən keçir və sonra möhkəmləşdirilir. Yaş-yaşda, lif həm birincil, həm də ikincil örtük tətbiqlərindən keçir, sonra UB ilə möhkəmləşməyə keçir.

Lifli optik örtüklər çəkmə tətbiqi zamanı lifin zədələnməsinin qarşısını almaq və lif gücünü və mikro bükülmə müqavimətini artırmaq üçün konsentrik təbəqələrdə tətbiq olunur. Qeyri-bərabər örtülmüş lif örtük genişləndikdə və ya büzüldükdə qeyri-bərabər qüvvələrə məruz qalacaq və daha çox siqnal zəifləməsinə həssasdır. Düzgün çəkmə və örtmə proseslərində örtüklər lif ətrafında konsentrikdir, tətbiqin uzunluğu boyunca davamlıdır və sabit qalınlığa malikdir.

Lifin müxtəlif əyilmə konfiqurasiyaları altında məruz qaldığı gərginliyi hesablayarkən örtüyün qalınlığı nəzərə alınır.^[78] Örtük çəkilmiş lif bir mandrelin ətrafına sarıldıqda, lifdəki gərginlik aşağıdakı düsturla hesablanır

${\displaystyle \sigma =E{d_{f} \over d_{m}+d_{c}}}$,

burada E lifin Yunq modulu, d_f üzlüyün, d_m mandrelin, d_c isə örtüyün diametridir.

İki nöqtəli əyilmə konfiqurasiyasında, örtülmüş lif U-şəkilli əyilir və lif qırılana qədər bir araya gətirilən iki qoruyucu çərçivənin yivləri arasına yerləşdirilir. Bu konfiqurasiyada lifdə yaranan gərginlik aşağıdakı kimi olar

${\displaystyle \sigma =1.198E{d_{f} \over d-d_{c}}}$,

burada d qoruyucu rozetlər arasındakı məsafə, 1.198 əmsalı isə bu konfiqurasiya ilə əlaqəli həndəsi sabitdir.

Lifli optik örtüklər şüşə lifləri müqavimətin azalmasına səbəb ola biləcək cızıqlardan qoruyur. Nəm və cızıqların birləşməsi lif müqvimətinin zəifləməsini və pisləşməsini sürətləndirir. Lif uzun müddət ərzində aşağı gərginliyə məruz qaldıqda, lifdə yorulma meydana gələ bilər. Bir müddətdən sonra və ya ekstremal şəraitdə bu amillər birləşərək şüşə lifdə mikroskopik qüsurların yayılmasına səbəb olur və nəticədə lifin sıradan çıxmasıyla nəticələnə bilər.

Lifli optik dalğaötürənlərin üç əsas xüsusiyyəti ətraf mühit şəraitindən təsirlənə bilər: güc, zəifləmə və mikroəyilmə nəticəsində yaranan itkilərə qarşı müqavimət. Lifli optik kabelin xarici qabıqları və qoruyucu borular şüşə optik lifin səmərəliliyinə və uzunmüddətli dayanıqlığına təsir göstərə bilən ətraf mühit şəraitindən qoruyur. İçəridə örtüklər daşınan siqnalın etibarlılığını təmin edir və mikroəyilmə nəticəsində zəifləməni minimuma endirməyə kömək edir.

Praktik liflərdə örtük, adətən, sərt qatran örtüyü və əlavə bir qoruyucu təbəqə ilə örtülmüşdür ki, bu qat daha çox qabıq təbəqəsi ilə, adətən, plastiklə əhatə oluna bilər. Bu təbəqələr lifi gücləndirir, lakin onun optik dalğaötürmə xüsusiyyətlərini artırmır. Sərt lif birləşmələrində bəzən bir lifdən sızan işığın digərinə keçməsinin qarşısını almaq üçün liflər arasına işıqudan ("qaranlıq") şüşə qoyulur. Bu liflərarası qarşılıqlı əlaqəni azaldır və ya lif paketi görüntüləmə tətbiqlərində alovlanmanı azaldır.^[79][80]

Müasir kabellər xəndəklərdə birbaşa basdırılma, yüksək gərginlikli izolyasiya, elektrik xətləri kimi ikili istifadə,^[81] boruda quraşdırma, hava telefon dirəklərinə bağlama, sualtı qayıq kimi tətbiqlər üçün nəzərdə tutulmuş müxtəlif örtüklər və qoruyuculara malik olur. Çoxlifli kabel, adətən, hər bir ipi müəyyən etmək üçün rəngli örtüklərdən və/və ya qoruyuculardan istifadə edir. Yaponiya və Cənubi Koreyada ev üçün lif qurğularına yüksək tələbat səbəbindən kiçik lifli dirəyə quraşdırılmış kabellərin qiyməti xeyli ucuzlaşmışdır.

Bəzi lifli-optik kabel versiyaları aramid və ya şüşə ipliklərlə gücləndirilir. Kommersiya baxımından, şüşə ipliklərdən istifadə kabelin mexaniki dayanıqlığını itirmədən daha sərfəli olur. Şüşə ipliklər həmçinin kabel nüvəsini gəmirici və termitlərdən qoruyur.

Lifli kabel çox əyilgən ola bilər, lakin lif təqribən 30 mm-dən kiçik radiusla əyildikdə ənənəvi lif itkisi çox artır. Bu, kabel künclər ətrafında əyildikdə və ya makaraya sarıldığında problem yaradır və FTTX quraşdırmalarının mürəkkəbləşməsinə səbəb olur. Ev şəraitində daha asan quraşdırmaya yönəlmiş "əyilən liflər" ITU-T G.657 kimi standartlaşdırılıb. Bu tip lif mənfi təsir olmadan 7,5 mm-ə qədər aşağı radiusla əyilə bilər. Daha çox əyilə bilən liflər də hazırlanmışdır.^[82] Əyilə bilən lif həmçinin lifin sındırılmasına davamlı ola bilər, burada lifdəki siqnal lifi əyərək və sızıntının aşkarlanması ilə gizli şəkildə izlənilir.^[83]

Kabelin digər mühüm xüsusiyyəti kabelin üfüqi olaraq tətbiq olunan qüvvəyə tab gətirmə qabiliyyətidir. Texniki olaraq quraşdırma zamanı kabelə nə qədər güc tətbiq oluna biləcəyini təyin edən maksimum dartılma gücü adlanır.

Optik liflər optik lif konnektorları ilə terminal avadanlıqlarına qoşulur. Bu konnektorlar adətən FC, SC, ST, LC, MTRJ, MPO və ya SMA kimi standart tipdədir. Optik liflər konnektorlar vasitəsilə və ya daimi olaraq bir-birinə birləşdirmək, yəni iki lifi birləşdirərək daimi optik dalğaötürməyə nail olmaq olar. Ümumi qəbul edilən birləşdirmə üsulu lif uclarını elektrik qövsü vasitəsilə əritməklə alınan qövs birləşməsidir. Daha sürətli bərkitmə işləri üçün mexaniki birləşmədən istifadə olunur.

Əritməklə birləşdirmə xüsusi bir alətlə həyata keçirilir. Lifin ucları əvvəlcə qoruyucu polimer örtüyündən təmizlənir (həmçinin, əgər varsa, daha möhkəm xarici qabıqdan). Ucları perpendikulyar hala gətirmək üçün dəqiq kəsici ilə kəsilir (kəsilir) və birləşdiricinin xüsusi tutacaqlarına yerləşdirilir. Birləşmədən əvvəl və sonra kəsikləri yoxlamaq üçün adətən böyüdülmüş baxış ekranı vasitəsilə yoxlanılır. Birləşdirici son üzləri bir-birinə uyğunlaşdırmaq üçün kiçik mühərriklərdən istifadə edir və toz və nəmi yandırmaq üçün boşluqdakı elektrodlar arasında kiçik bir qığılcım buraxır. Sonra birləşdirici daha böyük bir qığılcım yaradır ki, bu da temperaturu şüşənin ərimə nöqtəsindən yuxarı qaldırır və ucları daimi olaraq birləşdirir. Qığılcımın lokalizasiyası və enerjisi diqqətlə idarə olunur ki, ərimiş nüvə və örtük qarışmasın və beləliklə də optik itki minimuma endirilsin. Qoşulma itkisinin təxmini bir tərəfdəki örtükdən işığın istiqamətləndirilməsi və digər tərəfdən üzlükdən sızan işığın ölçülməsi ilə splicer tərəfindən ölçülür. 0,1 dB-dən aşağı birləşmə itkisi tipikdir. Bu prosesin mürəkkəbliyi lifin birləşdirilməsini mis telin birləşdirilməsindən qat-qat çətinləşdirir.

Mexanik lif əlavələri daha sürətli və asan quraşdırmaq üçün nəzərdə tutulmuşdur, lakin hələ də soyma, diqqətli təmizləmə və dəqiq parçalama tələb olunur. Lif ucları hizalanır və çox vaxt işığın birləşmə boyunca ötürülməsini gücləndirən aydın indeksə uyğun geldən istifadə edərək, dəqiq hazırlanmış qolla bir yerdə tutulur. Bu cür birləşmələr adətən daha yüksək optik itkiyə malikdir və xüsusilə geldən istifadə edilərsə, birləşmə birləşmələrindən daha az möhkəmdir. Bütün birləşdirmə üsulları birləşməni qoruyan bir qapağın quraşdırılmasını əhatə edir.

Liflər lif ucunu dəqiq və etibarlı şəkildə tutan konnektorla bağlanır. Lifli-optik konnektor, əsasən, lüləni cütləşmə yuvasında saxlayan bir qol ilə əhatə olunmuş sərt silindrik bir bareldir. Cütləşmə mexanizmi itələmə və klikləmə, dönmə və bağlama (süngü montajı) və ya vidalı (yivli) ola bilər. Barel, bir qayda olaraq, qolun içərisində sərbəst hərəkət edir və konnektorlar birləşdirildikdə barel və lifin fırlanmasının qarşısını alan açar ola bilər.

Tipik bir birləşdirici lif ucunu hazırlamaq və birləşdirici gövdəsinin arxasına daxil etməklə quraşdırılır. Tez qurulan yapışqan adətən lifi etibarlı şəkildə tutmaq üçün istifadə olunur və arxa tərəfə gərginlik relyefi bərkidilir. Yapışqan bərkidikdən sonra lifin ucu güzgü rənginə qədər cilalanır. Lif növündən və tətbiqindən asılı olaraq müxtəlif cilalama profilləri istifadə olunur. Tək rejimli lif üçün, lif ucları adətən birləşmiş konnektorları yalnız öz nüvələrinə toxunduran yüngül əyriliklə cilalanır. Buna fiziki təmas (PC) cilası deyilir. Bucaqlı fiziki təmas (APC) əlaqəsi yaratmaq üçün əyri səth bucaq altında cilalana bilər. Bu cür bağlantılar kompüter birləşmələrinə nisbətən daha yüksək itkiyə malikdir, lakin geri əksi əhəmiyyətli dərəcədə azaldır, çünki bucaqlı səthdən əks olunan işıq lif nüvəsindən sızır. Nəticədə siqnal gücünün itirilməsi boşluq itkisi adlanır. APC lif ucları hətta ayrıldıqda belə aşağı əks əks etdirir.

1990-cı illərdə lifli optik kabellərin dayandırılması çox əmək tələb edirdi. Hər konnektora uyğun gələn hissələrin sayı, liflərin cilalanması və hər bir birləşdiricidə epoksidin sobada bişirilməsi ehtiyacı lifli optik kabellərin bağlanmasını çətinləşdirirdi. Bu gün bazarda kabelləri kəsmək üçün daha asan, daha az əmək tutumlu üsullar təklif edən bir çox konnektor növləri mövcuddur. Ən məşhur konnektorlardan bəziləri zavodda əvvəlcədən cilalanmışdır və konnektorun içərisində bir gel daxildir. Bu iki addım əməyə, xüsusən də böyük layihələrə qənaət etməyə kömək edir. Artıq birləşdiricinin içərisində olan cilalanmış parçaya yaxınlaşmaq üçün lazımi uzunluqda bir kəsik hazırlanır. Gel çox az işıq itkisi üçün iki hissənin birləşdiricinin içərisində birləşdiyi nöqtəni əhatə edir. Gelin uzun müddətli səmərəliliyi dizayn baxımından nəzərə alınır, ona görə də ən tələbkar qurğular üçün kifayət qədər uzunluqda zavodda əvvəlcədən cilalanmış pigtaillər. ilk fusion splice korpusuna çatmaq, adətən, yerində əməyi minimuma endirən ən təhlükəsiz yanaşmadır.

Çox vaxt optik lifi başqa bir optik liflə və ya işıq yayan diod, lazer diodu və ya modulyator kimi optoelektron cihazla uyğunlaşdırmaq lazımdır. Bu lifin diqqətlə hizalanmasını və onun cihazla təmasda olmasını ehtiva edə, yaxud da hava boşluğu üzərində birləşməyə imkan vermək üçün linzadan istifadə edə bilər. Tipik olaraq, lif modunun ölçüsü lazer diodunda və ya silisiumlu optik çipdəki modun ölçüsündən çox böyükdür. Bu halda, lif modu sahəsinin paylanmasını digər elementin payına uyğunlaşdırmaq üçün konik və ya linzalı lif istifadə olunur. Lifin ucundakı linza cilalama, lazerlə kəsmə^[84] və ya qaynaq birləşməsindən istifadə edilməklə formalaşdırıla bilər.

Laboratoriya şəraitində çılpaq ucluqlu lifi işığı incə nöqtəyə yönəltmək üçün mikroskopun obyektiv linzasına malik lif buraxma sistemindən istifadə edilməklə birləşdirilir. Birləşmə səmərəliliyinin optimallaşdırılmasına imkan vermək üçün linza, lif və ya cihazı hərəkət etdirmək üçün dəqiq tərcümə mərhələsi (mikro yerləşdirmə cədvəli) istifadə olunur. Ucunda birləşdiricisi olan liflər bu prosesi xeyli asanlaşdırır: konnektor sadəcə olaraq lifə uyğun olaraq dəqiq yerləşdirilmiş və ya tənzimlənə bilən linzadan ibarət əvvəlcədən düzülmüş lifli optik kolimatora qoşulmuşdur. Birmodlu lifdə ən yaxşı injeksiya effektivliyinə nail olmaq üçün şüanın istiqaməti, mövqeyi, ölçüsü və fərqliliyi optimallaşdırılmalıdır. Yaxşı şüalarla 70–90%-lik birləşmə səmərəliliyinə nail olmaq olar.

Düzgün cilalanmış birmodlu liflərlə, yaxşı bir linza istifadə edilərsə, yayılan şüa demək olar ki, mükəmməl Qauss formasına malik olur (hətta uzaq sahədə belə). Linza lifin tam ədədi aperturunu dəstəkləmək üçün kifayət qədər böyük olmalı və şüaların aberrasiyasına yol verməməlidir. Bu zaman, adətən, asferik linzalardan istifadə olunur.

Yüksək optik intensivliklərdə, kvadrat santimetrə 2 meqavatdan yuxarı olan bir lif zərbəyə məruz qaldıqda və ya qəfil zədələndikdə, lif qoruyucusu meydana gələ bilər. Zərərdən gələn əks lifi qırılmadan dərhal əvvəl buxarlandırır və bu yeni qüsur əksedici olaraq qalır ki, zədə saniyədə 1–3 metr (4–11 km/saat, 2–8 mil/saat) sürətlə ötürücüyə doğru yayılsın.^[85][86] Lifin qırılması halında göz üçün lazer təhlükəsizliyini təmin edən açıq lif idarəetmə sistemi lif əriməsinin qarşısını effektiv şəkildə ala bilər.^[87] Açıq lif idarəetməsinə ehtiyac olmadan yüksək güc səviyyələrinin istifadə oluna biləcəyi dənizaltı kabellər kimi vəziyyətlərdə ötürücüdəki "lifəridən" qoruyucu qurğu zədələnməni minimuma endirmək üçün dövrəni ayıra bilər.

Liflərin sındırma əmsalı işığın tezliyinə görə bir qədər dəyişir və işıq mənbələri mükəmməl monoxromatik deyil. Siqnalın ötürülməsi məqsədilə işıq mənbəyinin modullaşdırılması ötürülən işığın tezlik diapazonunu da bir qədər genişləndirir. Bu uzun məsafələrdə və yüksək modullaşma sürətlərində işığın müxtəlif tezliklərinin qəbulediciyə çatması üçün müxtəlif vaxtlar tələb edə bilər ki, nəticədə siqnalı ayırd etmək mümkünsüz olur və əlavə təkrarlayıcılar tələb olunur.^[88] Bu problem əks sındırma əmsalının qradiyenti olan nisbətən qısa uzunluqlu lifin istifadəsi də daxil olmaqla bir sıra yollarla aradan qaldırıla bilər.

• The Fiber Optic Association
• "Fibers", article in RP Photonics' Encyclopedia of Laser Physics and Technology
• "Fibre optic technologies", Mercury Communications Ltd, August 1992.
• "Photonics & the future of fibre", Mercury Communications Ltd, March 1993.
• "Fiber Optic Tutorial" Educational site from Arc Electronics
• MIT Video Lecture: Understanding Lasers and Fiberoptics
• Fundamentals of Photonics: Module on Optical Waveguides and Fibers
• Webdemo for chromatic dispersion at the Institute of Telecommunicatons, University of Stuttgart