Karakteristike optičkih vlakana

Nakonputuju optički signalina određenoj udaljenosti kroz optičko vlakno, podliježu prigušenju i izobličenju, uzrokujući razliku između ulaznih i izlaznih impulsa optičkog signala. To se očituje kao slabljenje amplitude i širenje valnog oblika optičkih impulsa. Uzrok ovog fenomena je prisutnost gubitaka i disperzije unutar optičkog vlakna. Gubitak i disperzija najvažniji su parametri koji opisuju prijenosne karakteristike optičkih vlakana, ograničavajući udaljenost prijenosa i kapacitet sustava. Ovaj odjeljak prvenstveno govori o mehanizmima i karakteristikama gubitka i disperzije optičkih vlakana.

★Karakteristike optičkih vlakana (2. dio)

Karakteristike gubitaka optičkog vlakna

Gubitak optičkog vlakna dovodi do slabljenja signala, stoga se gubitak optičkog vlakna naziva i slabljenjem. Kako se udaljenost povećava u optičkom vlaknu, intenzitet svjetlosnog signala opada, kako slijedi: P(z)=P(0) /10 - (4) gdje je P(z) optička snaga na udaljenosti prijenosa z; P(0) je ulaz optičke snage u optičko vlakno, tj. optička snaga ubrizgana na z=0; (λ) je koeficijent prigušenja optičkog vlakna na valnoj duljini u dB/km; a L je udaljenost prijenosa.

Kada je t=L, koeficijent prigušenja vlakna definiran je kao

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

Kada je radna valna duljina λ dB, ako se koeficijent prigušenja mjeri u jedinicama dB po kilometru, tada se A(λ) (jedinica je dB) izražava kao:

A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]

Komunikacija optičkim vlaknima razvila se usporedo sa stalnim poboljšanjima u proizvodnji optičkih vlakana, posebno smanjenjem gubitka vlakana. Gubitak vlakana jedan je od glavnih čimbenika koji određuju udaljenost releja u komunikacijskom sustavu optičkih vlakana. Mnogi čimbenici pridonose gubitku vlakana, prvenstveno gubitku zbog apsorpcije, gubitku zbog raspršenja i dodatnom gubitku, a mehanizmi na kojima se temelje ti gubici prilično su složeni. Sljedeća rasprava koristi silikatno optičko vlakno kao primjer za ilustraciju različitih uzroka gubitka.

Gubitak apsorpcije

Gubitak apsorpcije uglavnom uključuje intrinzičnu apsorpciju, apsorpciju nečistoća (OH radikali) i apsorpciju strukturnih defekata. Intrinzična apsorpcija uključuje infracrvenu i ultraljubičastu apsorpciju.

Infracrvena apsorpcija je apsorpcija svjetlosne energije uzrokovana molekularnom rezonancijom kada svjetlost prolazi kroz kvarcno staklo sastavljeno od SiO2. Na primjer, vrhunci apsorpcije Si-O su na 9,1 μm, 12,5 μm i 21,3 μm, a gubitak apsorpcije optičkog vlakna iznosi čak 10 dB/km na 9,1 μm. Ultraljubičasta apsorpcija je energija koja se apsorbira kada su elektroni pobuđeni da prijeđu na više razine energije svjetlosnim valovima. Ta se apsorpcija događa u ultraljubičastom području i stoga se obično naziva ultraljubičasta apsorpcija. Stakleni materijali sadrže ione prijelaznih metala kao što su željezo i bakar, kao i ione OH-. Apsorpcija nečistoća je gubitak uzrokovan apsorpcijom svjetlosne energije pomoću stupnjeva elektrona generiranih vibracijama iona pod pobuđivanjem svjetlosnog vala. Na primjer, pri 1,39 μm, slabljenje je 60 dB/km kada je koncentracija iona OH- 1 × 10⁻⁶.

Gubitak raspršenja

Gubitak zbog raspršenja je gubitak koji zrači svjetlosnu energiju iz optičkog vlakna u obliku raspršenja. Uzrokuje ga ne-ujednačena gustoća unutar vlakna. Glavne vrste gubitaka raspršenja u optičkim vlaknima uključuju Rayleighovo raspršenje, Mieovo raspršenje, stimulirano Brillouinovo raspršenje, stimulirano Ramanovo raspršenje, dodatne strukturne nedostatke i raspršenje savijanjem te raspršenje curenjem.

Tijekom proizvodnje optičkih vlakana, toplinsko gibanje molekula u rastaljenom staklu uzrokuje fluktuacije u gustoći i indeksu loma unutar njegove strukture, što zauzvrat uzrokuje raspršenje svjetlosti. Raspršenje uzrokovano česticama mnogo manjim od valne duljine svjetlosti naziva se Rayleighovo raspršenje; raspršenje uzrokovano česticama iste valne duljine kao svjetlost naziva se Miejevo raspršenje.

Rayleighovo raspršenje primarni je uzrok gubitka vlakana. Rayleighovo raspršenje pokazuje svojstvo da je proporcionalno 1/λ kratke valne duljine, tj. R=K/λ. Konstanta proporcionalnosti K povezana je sa strukturom i sastavom stakla. Općenito, što je viša temperatura staklenog prijelaza i što je složeniji njegov sastav, to je veći gubitak Rayleighovog raspršenja.

Na Rayleighovo raspršenje utječe intenzitet upadne svjetlosti. S druge strane, stimulirano Brillouinovo raspršenje i stimulirano Ramanovo raspršenje nastaju kada gustoća svjetlosne energije prijeđe određenu visoku vrijednost i nastaju interakcijom između svjetlosti i medija.

Dodatni gubici

Dodatni gubici (ili gubici primjene) su gubici koji potječu iz vanjskih izvora, kao što su oni uzrokovani uvijanjem vlakana ili bočnim pritiskom tijekom konstrukcije, instalacije i rada, što rezultira makro-savijanjem i mikro-savijanjem vlakana.

Uzroci gubitka vlakana sažeti su na slici:

Karakteristike disperzije optičkih vlakana

U fizici, disperzija se odnosi na fenomen u kojem se svjetlost različitih boja raspršuje nakon prolaska kroz prozirni medij. Snop bijele svjetlosti nakon prolaska kroz prizmu dijeli se u traku od sedam-boja. To je zato što staklo ima različite indekse loma za različite boje (različite frekvencije ili različite valne duljine). Što je duža valna duljina (ili niža frekvencija), niži je indeks loma stakla; što je valna duljina kraća (ili veća frekvencija), to je veći indeks loma. Drugim riječima, indeks loma stakla je funkcija frekvencije (ili valne duljine) svjetlosnog vala. Kada bijela svjetlost sastavljena od različitih boja upadne pod istim kutom θ, prema zakonu loma (n=sinθ/n²), različite boje svjetlosti imat će različite kutove loma zbog različitih vrijednosti n², čime se odvajaju različite boje svjetlosti, što rezultira disperzijom. Budući da je n=c/n (gdje je c brzina svjetlosti, c=3 × 10⁻⁶ m/s), jasno je da različite boje svjetlosti putuju različitim brzinama unutar stakla.

U teoriji širenja optičkih vlakana, značenje pojma "disperzija" je prošireno. U optičkim vlaknima, signali se prenose i prenose svjetlosnim valovima mnogo različitih modova ili frekvencija. Kada signal stigne do terminala, različiti načini ili frekvencije svjetlosnih valova doživljavaju razlike u kašnjenju prijenosa, što uzrokuje izobličenje signala. Ova pojava se zajednički naziva disperzija. Za digitalne signale, disperzija uzrokuje širenje impulsa nakon širenja određene udaljenosti kroz vlakno. U teškim slučajevima, uzastopni impulsi će se preklapati, stvarajući međusimbolsku interferenciju. Stoga disperzija određuje propusnost prijenosa optičkog vlakna i ograničava brzinu prijenosa sustava ili udaljenost repetitora. Disperzija i propusnost iste su karakteristike optičkih vlakana opisanih iz različitih perspektiva.

Na temelju uzroka disperzije, disperzija optičkih vlakana uglavnom se dijeli na: modalnu disperziju, materijalnu disperziju, valovodnu disperziju i polarizacijsku disperziju, koja će biti predstavljena u nastavku.

Disperzija moda

Modalna disperzija općenito postoji u višemodnim vlaknima. Budući da više modova koegzistira u višemodnom vlaknu, a grupne brzine širenja različitih modova duž osi vlakna su različite, oni će neizbježno stići na terminal u različito vrijeme, što će rezultirati razlikom u vremenskom kašnjenju i formiranjem intermodalne disperzije, uzrokujući tako širenje širine impulsa. Proširenje impulsa zbog modalne disperzije prikazano je na slici 2-10. Za idealno jedno-modno vlakno, budući da se prenosi samo jedan mod (osnovni mod - LP ili HE mod), nema modalne disperzije, ali postoji disperzija polarizacijskog moda.

Sada procjenjujemo maksimalnu modalnu disperziju korak-indeksnog višemodnog vlakna. Modalna disperzija korak-indeksnog višemodnog vlakna prikazana je na slici 2-11. U step-index višemodnom vlaknu, dvije najbrže i najsporije zrake koje se šire su zraka ① koja se širi duž osi i zraka ② koja upada pod kritičnim kutom od 0 stupnjeva. Stoga je maksimalna disperzija moda u višemodnom vlaknu s indeksom koraka vremenska razlika između vremena potrebnog zraku ② (Tmax) i vremena potrebnom zraku ① (Tmin) da stigne do terminala, ΔT_mux: ΔT_mux = T_max / T_min

Prema geometrijskoj optici, neka u optičkom vlaknu duljine L brzine svjetlosnih zraka ① i ② duž aksijalnog smjera budu c/n odnosno sinθ·c/n. Stoga je modalna disperzija optičkog vlakna...

Kod slabo vođenih optičkih vlakana (vlakna u kojima je n_ii n_irazlikuju se vrlo malo), A=(n_i- n)/n. Ako je Δ=1%, n_i= 1.5 za silika optička vlakna, a duljina vlakna je 1 km, tada je najveća intermodalna disperzija ΔT_mmože se izračunati kao 50 ns. Stoga je očito da što je duljina vlakna veća, intermodalna disperzija je veća; i što je veća relativna razlika indeksa loma Δ, to je veća intermodalna disperzija.

Raspršenost materijala

Budući da indeks loma materijala od optičkih vlakana varira s valnom duljinom svjetlosti, grupna brzina različitih frekvencija optičkog signala se razlikuje, što uzrokuje razliku u kašnjenju prijenosa, fenomen poznat kao disperzija materijala. Ova disperzija ovisi o karakteristikama valne duljine indeksa loma materijala optičkog vlakna i širini linije izvora svjetlosti.

U digitalnim optičkim komunikacijskim sustavima, izlazna svjetlost iz stvarnog izvora svjetlosti nije jedna valna duljina, već ima određenu spektralnu širinu linije. Budući da je indeks loma vlaknastog materijala funkcija valne duljine, brzina širenja svjetlosti unutar njega (λ)=c/n(λ) također varira s valnom duljinom. Kada svjetlosni impuls koji emitira izvor svjetlosti s određenom spektralnom širinom linije upadne na jedno-modno vlakno i širi se, svjetlosni impulsi različitih valnih duljina imat će različite brzine širenja, što će rezultirati razlikom u vremenskom kašnjenju kada dođu do kraja izlaza, uzrokujući tako širenje impulsa. Ovo je mehanizam disperzije materijala.

Ako je poznato da je grupna brzina u=da/dB, tada je grupno kašnjenje po jedinici duljine T=1/v,=n,/c. Stoga je materijalna disperzija optičkog vlakna duljine L...

U formuli c je brzina svjetlosti u vakuumu; λ je indeks loma jezgre vlakna; λ je valna duljina svjetlosti; a Aλ je spektralna širina linije izvora svjetlosti, gdje Aλ=λ - λ, predstavlja raspon valnih duljina sa središtem u A. Općenito, koeficijent disperzije se koristi za mjerenje veličine disperzije. Koeficijent disperzije D (jedinica: ps/(nm·km)) definiran je kao...

Može se vidjeti da je koeficijent disperzije disperzija uzrokovana izvorom svjetlosti s jediničnom spektralnom širinom linije koji se širi u jedinici duljine optičkog vlakna. Ako je poznat koeficijent disperzije materijala optičkog vlakna, disperzija materijala može se lako izračunati kao ΔTm=DmAAL.

Primjer 2-1: Pretpostavimo da je maksimalni koeficijent disperzije materijala optičkog vlakna na valnoj duljini od 1,31 m D=3.5ps/(nm·km). Ako se poluvodički laser sa središnjom valnom duljinom od 1,31 µm koristi za generiranje prijenosnog svjetla sa spektralnom širinom linije od λ=4nm, izračunajte disperziju materijala uzrokovanu tom svjetlošću koja se širi u optičkom vlaknu duljine 1 km.

Rješenje: Disperzija materijala optičkog vlakna može se lako izračunati kao:

T_m = D_mLΔA=3.5ps/(nm·km) x 1km x 4nm=0.014ns=14ps

Kao što se vidi u primjeru 2-1, materijalna disperzija je relativno mala, čak manja od modalne disperzije višemodnog vlakna stepenastog indeksa. Također treba napomenuti da koeficijent disperzije optičkog vlakna (ne samo koeficijent disperzije materijala) može biti pozitivan ili negativan. U optičkim vlaknima, grupno kašnjenje (A) raste s valnom duljinom nositelja; drugim riječima, svjetlosni valovi kraće valne duljine šire se brže. U ovom slučaju, koeficijent disperzije je negativan, što se naziva negativna disperzija; obrnuto, svjetlosni valovi duže valne duljine šire se sporije od svjetlosnih valova kraće valne duljine.

Ovdje je koeficijent disperzije pozitivan, što se naziva pozitivna disperzija. Jasno, ako se spoje dva optička vlakna sa suprotnim predznakom koeficijenta disperzije, disperzija materijala će se poboljšati.

disperzija valovoda

Disperzija valovoda ΔTw odnosi se na specifični vođeni mod u optičkom vlaknu. Različite valne duljine imaju različite fazne konstante, što rezultira različitim grupnim brzinama, a time i disperzijom. Disperzija valovoda također je povezana s različitim čimbenicima kao što su strukturni parametri optičkog vlakna i relativna razlika indeksa loma između jezgre i obloge; stoga se naziva i strukturna disperzija.

Disperzija polarizacijskog moda

Disperzija polarizacijskog načina je vrsta disperzije jedinstvena za jedno{0}}modna optička vlakna. Budući da jedno-modna vlakna zapravo prenose dva međusobno ortogonalna polarizacijska moda, njihova su električna polja polarizirana duž x odnosno y smjerova.

Propusnost optičkih vlakana

Disperzija i propusnost optičkih vlakana opisuju istu karakteristiku. Zapravo, disperzija opisuje opseg do kojeg se svjetlosni puls širi duž vremenske osi nakon prijenosa; to je opis karakteristika vlakna u vremenskoj domeni. Širina pojasa, s druge strane, opisuje ovu karakteristiku u frekvencijskom domenu. U frekvencijskoj domeni, za modulirajući signal, optičko vlakno se može smatrati niskopropusnim-filtrom. Kada visokofrekventne-komponente modulirajućeg signala prođu kroz njega, ozbiljno su prigušene. To jest, ako amplituda ulaznog signala (modulirajući signal) ostaje konstantna, ali se mijenja samo frekvencija, amplituda izlaznog signala nakon prijenosa kroz vlakno će se promijeniti s frekvencijom modulirajućeg signala (ulaznog signala). TTU-T preporučuje specificiranje da je propusnost optičkog vlakna [propusnost po kilometru].