Hvað er trefjaleysir?
Ljósleiðari er stutt fyrir ljósleiðara og er venjulega sívalur bylgjuleiðari fyrir ljósbylgjur. Það notar meginregluna um heildarendurkast til að takmarka ljósbylgjur við kjarnann og leiðbeina þeim í átt að trefjaásnum. Að skipta um koparvír fyrir kvarsgler breytti heiminum.
Sem miðill til að leiða ljósbylgjur hefur ljósleiðarinn verið mikið notaður síðan 1966 þegar hann var kynntur af Charles Kao, þökk sé mikilli samskiptagetu, háu truflunarónæmi, lágu sendingartapi, langri gengisfjarlægð, góðri trúnaði, aðlögunarhæfni, smæð, léttri þyngd og mikið af hráefnisuppsprettum. Kao, þekktur sem „faðir ljósleiðara“, hlaut Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 2009 fyrir verk sín. Með aukinni fullkomnun og hagkvæmni ljósleiðara hefur það gjörbylt fjarskiptaiðnaðinum og hefur að mestu komið í stað koparvír sem kjarnaþátt nútíma fjarskipta.
Ljósleiðarasamskiptakerfi er samskiptakerfi sem notar ljós sem upplýsingabera og ljósleiðara sem ölduleiðaramiðil. Þegar ljósleiðari sendir upplýsingar umbreytist rafmerkið í ljósmerki sem síðan er sent inn í ljósleiðarann. Sem samskiptatækni á uppleið hafa ljósleiðarasamskipti sýnt óviðjafnanlega yfirburði frá upphafi og vakið mikla athygli og mikla athygli. Víðtæk notkun ljósleiðara í fjarskiptum hefur einnig stuðlað að hraðri þróun ljósleiðaramagnara og ljósleiðaraleysis á sama tíma. Auk fjarskipta eru ljósleiðarakerfi einnig notuð í margs konar notkun á læknisfræði, skynjun og öðrum sviðum.
Ljósleiðarar
Ávinningsmiðill trefjaleysis er virka trefjarinn. Samkvæmt uppbyggingu þess má skipta í einn-ham trefjar, tvöfaldur klæddur trefjar og ljóseinda kristal trefjar þrjú.
Single-mode ljósleiðarar Einhams trefjar samanstanda af kjarna, klæðningu og húðunarlagi, þar sem brotstuðull kjarnaefnisins n1 er hærri en klæðningarefnisbrotstuðullinn n2, þegar innfallshorn innfallsljóssins er stærra en gagnrýna hornmyndin, ljósgeislinn í kjarna fullrar útgeislunar, þannig að hægt sé að binda ljósgeislann í kjarna ljósgeislans. Innri klæðning einhams trefja getur ekki gegnt aðhaldshlutverki fyrir multimode dæluljós, og tölulegt ljósop kjarnans er lágt, þannig að aðeins er hægt að nota einn-ham dæluljóstengingu inn í kjarnann til að fá leysiúttak. Snemma trefjaleysir notuðu þessa einstillingu trefjar, sem leiddi til lítillar tengiskilvirkni og leysir með úttaksstyrk á millivattasviðinu.
Tvíklæddir trefjar
Til að sigrast á takmörkunum hefðbundinna einhúðaðra, einklæddra ytterbíumdópaðra (Yb3 plús) trefja á ummyndunarhagkvæmni og úttaksstyrk, lagði Maurer (R. Maurer) fyrst fram hugmyndina um tvíklæddir trefjar árið 1974. Síðan þá var það ekki fyrr en árið 1988, þegar E. Snitzer og fleiri lögðu til klæðningardælutækni [3], að háafli Yb-dópaðir trefjaleysir/magnarar voru þróaðir hratt.
Tvöfaldur trefjar eru ljósleiðarar með sérstakri uppbyggingu sem bætir innra klæðningarlagi við hefðbundna trefjar, sem samanstendur af húðunarlagi, innra klæðningarlagi, ytra klæðningarlagi og dópuðum trefjakjarna. Dælutæknin fyrir klæðningu byggir á tvíklæddum trefjum, kjarninn í þeim er að leyfa fjölstillingu dæluljósi að berast í innri klæðningu og leysiljós berast í kjarna, sem gerir kleift að auka skilvirkni dælubreytingar og úttaksafl trefjaleysisins til muna. Uppbygging tvíklæddu trefjanna, lögun innri klæðningar og dæluljóstengingaraðferðin eru lykillinn að þessari tækni.
Kjarni tvíklæddu trefjanna er samsettur úr kísildíoxíði (SiO2) dópað með sjaldgæfum jörðum frumefnum, sem er bæði leysimiðillinn og flutningsrás leysimerksins í trefjaleysinu, sem samsvarar vinnubylgjulengdinni. Þverstærð (tugfalt þvermál hefðbundins kjarna) og tölulegt ljósop innri klæðningar eru mun stærri en kjarnans og brotstuðullinn er minni en kjarnans, sem takmarkar útbreiðslu leysiljóss alfarið innan kjarnans. Þetta skapar ljósbylgjuleiðara með stórum þversniði, stórt tölulegt ljósop á milli kjarnans og ytri klæðningarinnar, sem gerir kleift að tengja stórt tölulegt ljósop, stórt þversniðs- og fjölstillingar dælt ljós með miklum krafti inn í trefjarnar og takmarkast við sendingu innan innri klæðningar án dreifingar, sem auðveldar viðhald á háum dæluaflþéttleika. Ytri klæðningin er samsett úr fjölliða efni með minni brotstuðul en innri klæðningin; ysta lagið er hlífðarlag úr lífrænu efni. Tengingarsvæði tvíklæddu trefjanna við dælda ljósið ræðst af stærð innri klæðningarinnar, ólíkt hefðbundnum einstillingu trefjum, sem ákvarðast af kjarnanum einum saman. Annars vegar bætir þetta afltengingarskilvirkni trefjaleysis manna, sem gerir dæluljósinu kleift að fara í gegnum innri klæðninguna nokkrum sinnum til að örva dópaðar jónir fyrir leysigeislun; á hinn bóginn ræðst úttaksgeislagæðin af eðli trefjakjarna og innleiðing innri klæðningarinnar eyðileggur ekki geislagæðin í trefjaleysisúttakinu.
Upphaflega var innri klæðning tvíklæddra trefja sívalur samhverf og tiltölulega einfalt að búa til og auðvelt að tengja hana við svítan á dæluleysisdíóðunni (LD), en fullkomin samhverfa hennar leiddi til fjölda spíralgeisla dæluljóss í innri klæðningunni sem náði aldrei kjarnasvæðinu jafnvel eftir nægilega mikið magn af ljósleiðara til að jafnvel endurspeglun með ljósi, jafnvel meira magn af ljósi, gleypist þar enn lengur með ljós. , sem gerir það erfitt að bæta skilvirkni viðskipta. Af þessum sökum verður að rjúfa sívalur samhverfu innri klæðningar.
Ljósmyndandi kristaltrefjar
Í venjulegum tvíklæddum trefjum ákvarðar rúmfræði kjarnans úttaksleysiskraftinn. Tölulega ljósopið ákvarðar geislagæði úttaksleysisins. Vegna takmarkana á ólínulegum áhrifum, sjónskemmdum og öðrum eðlisfræðilegum aðferðum í ljósleiðara, getur ein leið til að auka kjarnaþvermálið ekki uppfyllt eftirspurn eftir einstillingaraðgerð með mikilli aflframleiðslu í tvöföldum klæðningartrefjum á stórum sviðum. Tilkoma sérstakra trefja, eins og photonic kristal trefja (PCF), veitir árangursríka tæknilega lausn á þessari áskorun.
Hugmyndin um ljóseindakristalla var fyrst kynnt af E. Yablonovitch árið 19871 sem reglubundin uppbygging með mismunandi rafstuðlum í einni, tveimur eða þremur víddum sem gerir ljósinu kleift að dreifast í ljósleiðnisviðinu og bannar ljósinu að dreifast í ljóseindabandsbilinu (PBG). PCF eru tvívíðir ljóseindakristallar, einnig þekktir sem öruppbyggðir trefjar eða porous trefjar, og árið 1996 JC Knight o.fl. framleiddi fyrstu PCF með ljósleiðandi vélbúnaði svipað og hefðbundnum trefjum með heildar innri endurspeglun. Eftir 2005 byrjaði hönnun og undirbúningur PCFs á stórum sviðum að aukast, með tilkomu ýmissa forma, þar á meðal lekandi rásar PCF, stangalaga PCF, stóra PCF og fjölkjarna PCF. Hófsviðsflatarmál trefjarins hefur einnig haldið áfram að aukast í samræmi við það.
Í útliti eru PCFs mjög svipaðar hefðbundnum einstillingar trefjum, en smásælega sýna þeir flókna holu-array uppbyggingu. Það eru þessir byggingareiginleikar sem gefa PCF einstaka og óviðjafnanlega kosti fram yfir hefðbundna trefjar, svo sem afslöppunarlausa einhams sendingu, stórt sviðssvæði, stillanlega dreifingu og lítið takmarkandi tap, sem getur sigrast á mörgum af áskorunum hefðbundinna leysigeisla. Til dæmis getur PCF náð einstillingaraðgerð á stóru svæðissvæði, en tryggir geisla gæði, dregur verulega úr leysiraflsþéttleika í trefjum, dregur úr ólínulegum áhrifum í trefjum og eykur skaðaþröskuld trefjarins; það getur náð stóru tölulegu ljósopi, sem þýðir að hægt er að ná meiri sjóntengingu dælunnar og leysiframleiðsla með meiri krafti. Þetta hefur gert það að nýjum rannsóknarhápunkti í trefjaleysistækjum, sem gegnir sífellt mikilvægara hlutverki við beitingu hástyrks trefjaleysis.
Uppfinning trefjaleysisins
Lasarar sem nota ljósleiðara sem leysigeislamiðil eru þekktir sem trefjaleysir. Eins og aðrar gerðir leysis samanstendur það af þremur hlutum: ávinningsmiðlinum, dælugjafanum og ómunarholinu. trefjaleysir nota virka trefjar með kjarna sem er dópaður með sjaldgæfum jarðefnum sem ávinningsmiðil. Hálfleiðara leysir er almennt notaður sem dælugjafi. Ómunaholið samanstendur almennt af endurskinsspeglum, trefjaendaflötum, trefjahringspeglum eða trefjaristum.
Samkvæmt tímalénseiginleikum trefjaleysisins má skipta honum í samfelldan trefjaleysi og púls trefjaleysi; í samræmi við resonant hola uppbyggingu, það má skipta í línulega hola trefjar leysir, dreifður endurgjöf trefjar leysir og hring hola trefjar leysir; í samræmi við ávinningstrefjarnar og mismunandi dæluaðferðir, má skipta honum í einn klæðningartrefjaleysir (trefjarkjarnadæla) og tvöfaldan klæðningartrefjaleysi (klæðningardælingu).
Árið 1961 uppgötvaði Snitzer leysigeislun í neodymium (Nd)-dópuðum glerbylgjuleiðurum. 1966 rannsakaði Kao ítarlega helstu orsakir ljósdempunar í ljósleiðara og benti á helstu tæknilegu vandamálin sem þarf að leysa fyrir hagnýta notkun ljósleiðara í fjarskiptum. 1970, Corning í Bandaríkjunum þróaði ljósleiðara með minni dempun en 20 dB/km, sem lagði grunninn að þróun ljósfjarskipta- og ljósatækniiðnaðarins. Þetta lagði grunninn að þróun ljósfjarskipta- og ljóseindatækniiðnaðarins. Á áttunda og níunda áratugnum veitti þroskun og markaðssetning hálfleiðara leysitækni áreiðanlegan og fjölbreyttan dælugjafa fyrir þróun trefjaleysis. Á sama tíma, þróun efna gufuútfellingaraðferðar gerir það að verkum að flutningstap ljósleiðara minnkar stöðugt. Trefjaleysir þróast einnig hratt í átt að fjölbreytni, þar sem trefjar eru dópaðir með ýmsum sjaldgæfum jarðefnum, svo sem erbium (Er3 plús), ytterbíum (Yb3 plús), neodymium (Nd3 plús), samarium (Sm3 plús), þulíum (Tm3 plús), hólmium (Ho3 plús), (Prasodymium plús), (Prasodymium (Plussódými), (Prasodymium (Plussodými)), (Prasodymium (D) i3 plús) og svo framvegis. Það fer eftir jónunum sem eru dópaðar, hægt er að ná fram mismunandi bylgjulengdum leysisúttaks. Til að uppfylla kröfur mismunandi forrita.
Eiginleikar trefjaleysis með miklum krafti
Kostir trefjaleysis með miklum krafti eru sem hér segir.
(1) Góð geisla gæði. Bylgjuleiðaruppbygging ljósleiðarans gerir það auðvelt að fá eina þversniðsúttak, og áhrif ytri þátta eru mjög lítil, til að ná háum birtu leysir framleiðsla.
(2) Mikil afköst. Fiber leysir með því að velja losunarbylgjulengd og dópað sjaldgæfa jörð frumefni frásog eiginleika hálfleiðara leysir fyrir dælu uppspretta, getur þú náð mjög háu ljósi og ljósumbreytingar skilvirkni. Fyrir ytterbium-dópaða háa afl trefja leysira, veldu venjulega 915nm eða 975nm hálfleiðara leysira, vegna einfaldrar orkustigsbyggingar Yb3 plús, eru uppbreytingar, frásog spennt ástands og styrkleikasprungur ólíklegri til að eiga sér stað, flúrljómunarlífið er lengra og getur í raun geymt orku fyrir mikla orkunotkun. Heildar raf-sjónhagkvæmni ljósleiðara í atvinnuskyni er allt að 25 prósent, sem stuðlar að kostnaðarlækkun, orkusparnaði og umhverfisvernd.
(3) Góð hitaleiðni. Trefjaleysir eru notaðir sem leysigeislunarmiðill með því að nota þunnt, sjaldgæft frumefnisdópað trefjar með mjög stóru yfirborðsflatarmáli og rúmmálshlutfalli. Um 1000 sinnum solid blokk leysir, hvað varðar hitaleiðni getu hefur náttúrulegan kost. Engin sérstök kæling á trefjum er nauðsynleg fyrir lág- og miðlungs aflhylki og vatnskæling er notuð fyrir háa orkuhylki, sem einnig kemur í veg fyrir niðurbrot á gæðum geisla og skilvirkni vegna hitauppstreymis sem almennt er að finna í solid-state leysir.
(4) Samningur uppbygging, hár áreiðanleiki. Þar sem trefjaleysirinn notar lítinn og sveigjanlegan trefjar sem leysigeislamiðilinn hjálpar það að þjappa rúmmálinu og spara kostnað. Dælugjafi er einnig notaður í litlum stærðum, auðvelt að eininga hálfleiðara leysir, viðskiptavörur eru almennt fáanlegar með pigtail framleiðsla, ásamt Bragg-trefjum og öðrum ljósleiðaratækjum, svo framarlega sem þessi tæki eru sameinuð hvert öðru til að ná fullum trefjum, ónæmi fyrir umhverfistruflunum, með miklum stöðugleika, getur sparað viðhaldstíma og kostnað.
Aflmikill trefjaleysir hefur einnig ókosti sem erfitt er að sigrast á: einn er varnarleysið fyrir ólínulegum áhrifum. Trefjaleysir hafa langa virka lengd og lágan þröskuld fyrir ýmis ólínuleg áhrif vegna rúmfræði bylgjuleiðara þeirra. Sum skaðleg ólínuleg áhrif eins og spennt Raman-dreifing (SRS), sjálfsfasamótun (SPM) osfrv. geta valdið fasasveiflum og orkuflutningi á litrófinu, eða jafnvel skemmdum á leysikerfinu, sem takmarkar þróun aflmikilla trefjaleysis. Annað er ljóseindmyrkvunaráhrifin. Með auknum dælingartíma geta ljóseindamyrknunaráhrif leitt til mikillar lyfjagjafarþéttni sjaldgæfra jarðar frumefnis-dópaðra trefjaaflsnýtingar eintóna óafturkræfra hnignun, sem takmarkar langtímastöðugleika og endingartíma aflmikilla trefjaleysis, sem er sérstaklega áberandi í ytterbium-dópuðum háafli trefjaleysis.
Með framgangi hábirtutengdra hálfleiðara leysira og tvíklæddra trefjatækni hefur framleiðsla, sjón-í-sjón umbreytingarhagkvæmni og geislagæði aflmikilla trefjaleysis þróast verulega. Í iðnaðarvinnslu, beint orkuvopnum, langdrægum fjarmælingum, LIDAR og öðrum forritum með gríðarlega eftirspurn grip, til Bandaríkjanna Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) og Þýskaland Tong Express Group, aðallega rannsóknareiningar á samfelldri bylgju, púlsbylgju hár-afls trefjum leysir leysir rannsóknir og vöruþróun. Spennandi niðurstöður hafa einnig verið tilkynntar af fjölda eininga í Kína, þar á meðal Tsinghua háskólanum, National University of Defense Technology, Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery of the Chinese Academy of Sciences og Fjórða rannsóknarstofnun Kína Aerospace Science and Industry Corporation.
Rafmagnsaukatækni fyrir trefjar leysir
Vegna ólínulegra áhrifa í trefjalasernum, hitauppstreymi og efnisskemmdaþröskuldstakmarkana er úttaksafl eins trefjaleysis takmarkað að vissu marki, og þegar krafturinn eykst minnkar geislagæðin smám saman, sem krefst notkunar á hamstýringartækni og hönnun sérstakrar uppbyggingar nýja trefjarins til að bæta geislagæðin. Dawson (JW Dawson) o.fl. greindu fræðilega úttakstakmörk eins trefja og reiknuðu út að í breiðbands trefjalasurum getur einn trefjar náð hámarksafli upp á 36 kW nálægt sveiflumörkum leysirúttaks, en fyrir þrönga línubreiddar trefjalasara er hámarksaflið 2 kW. Til þess að auka enn frekar afköst trefjaleysisins og magnarans er aflmyndun margra trefjaleysis með samfelldri nýmyndunartækni áhrifarík aðferð. Það hefur orðið alþjóðlegur rannsóknarstaður á undanförnum árum.
Samhengi nýmyndun er náð með því að stjórna fasa, tíðni og skautun hvers leysigeisla með ákveðinni samkvæmni, þannig að hann uppfylli samhengisskilyrði og fái einsleita fasalæsta útgang, sem getur náð mun meiri hámarksstyrk en einföld ósamhangandi yfirsetning og viðhalda góðum geislagæðum. Saga þróunar heildrænnar myndun tækni er næstum jafn löng og saga leysigeisla sjálfra, og felur í sér ýmsar gerðir af gas leysir, efna leysir, hálfleiðara leysir, solid-state leysir, o.fl. Hins vegar, vegna vanþroska ýmissa tækja í árdaga, tilraunaniðurstöður sem náðust með samfelldri myndun tækni sló ekki í gegnum hámarks úttaksáhrif á sama tíma, þannig að ekki var augljós úttaksáhrif leysisins á sama tíma. Upp úr 1990 leiddi tilkoma trefjaleysis til örrar þróunar á samfelldri myndun tækni. Til viðbótar við einstaka kosti ljósleiðaraleysis og þörf fyrir taktíska notkun hundruða kílóvatta, hafa nokkur tæki (þ.e. trefjakeilutengingar, fjölkjarna trefjar, fasamótarar með pigtails og hljóðsjónrænum tíðnibreytum o.s.frv.) gegnt mikilvægu hlutverki í viðskiptalegri útfærslu ljósleiðarasamskipta. Trefjakeilutengingar og fjölkjarna trefjar auðvelda óvirka fasastýringu sem byggir á leysiorkuinnspýtingartengingu og hraðbylgjutengingu, en fasamótarar með pigtails og hljóð-optískum tíðnibreytum gera virka fasastýringu með megahertz stýribandbreiddum, sem hægt er að nota til að stjórna fasasveiflum við miklar aflskilyrði og ná fasalæstu úttaksskilyrðum. Vísindamenn hafa lagt til fjölda áberandi samhangandi nýmyndunarkerfa.
Litrófsmyndun er ósamræmd myndun tækni sem notar eitt eða fleiri sundrunarrist til að sveigja marga undirgeisla í sama ljósop, sem leiðir til eins ljósopsúttaks með góðum geislagæðum. Litrófsmyndun trefjaleysis getur nýtt til fulls víðtæka ávinningsbandbreidd Yb-dópaðra trefjaleysis til að bæta upp fyrir takmarkaðan úttaksstyrk eins trefjaleysis.
