Karakteristike optičkih vlakana

Poslijeoptički signali putujuna određenoj udaljenosti kroz optičko vlakno, oni prolaze kroz slabljenje i izobličenje, uzrokujući da se ulazni i izlazni impulsi optičkog signala razlikuju. Ovo se manifestuje kao slabljenje amplitude i širenje talasnog oblika optičkih impulsa. Uzrok ove pojave je prisustvo gubitka i disperzije unutar optičkog vlakna. Gubitak i disperzija su najvažniji parametri koji opisuju karakteristike prenosa optičkih vlakana, ograničavajući daljinu prenosa i kapacitet sistema. Ovaj dio prvenstveno razmatra mehanizme i karakteristike gubitka i disperzije optičkih vlakana.

★Karakteristike optičkih vlakana (2. dio)

Karakteristike gubitka optičkog vlakna

Gubitak optičkog vlakna dovodi do slabljenja signala, pa se gubitak optičkog vlakna također naziva 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 ulazna optička snaga u optičko vlakno, tj. optička snaga ubrizgana na z=0; (λ) je koeficijent slabljenja optičkog vlakna na talasnoj dužini u dB/km; i L je udaljenost prijenosa.

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

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

Kada je radna talasna dužina λ dB, ako se koeficijent slabljenja meri 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 zajedno sa stalnim poboljšanjima u proizvodnji optičkih vlakana, posebno smanjenjem gubitka vlakana. Gubitak vlakana je jedan od glavnih faktora koji određuju udaljenost releja u komunikacijskom sistemu optičkih vlakana. Mnogi faktori doprinose gubitku vlakana, prvenstveno gubitak apsorpcije, gubitak rasejanja i dodatni gubitak, a mehanizmi koji leže u osnovi ovih gubitaka su prilično složeni. Sljedeća rasprava koristi optičko vlakno od silicijevog dioksida kao primjer za ilustraciju različitih uzroka gubitka.

Gubitak apsorpcije

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

Infracrvena apsorpcija je apsorpcija svjetlosne energije uzrokovana molekularnom rezonancom kada svjetlost prolazi kroz kvarcno staklo sastavljeno od SiO2. Na primjer, apsorpcijski vrhovi Si-O su na 9,1 μm, 12,5 μm i 21,3 μm, a apsorpcijski gubitak optičkog vlakna je čak 10 dB/km na 9,1 μm. Ultraljubičasta apsorpcija je energija koja se apsorbuje kada su elektroni pobuđeni da pređu na više energetske nivoe svetlosnim talasima. Ova apsorpcija se događa u ultraljubičastom području i stoga se obično naziva ultraljubičasta apsorpcija. Stakleni materijali sadrže ione prelaznih metala kao što su gvožđe i bakar, kao i jone OH-. Apsorpcija nečistoće je gubitak uzrokovan apsorpcijom svetlosne energije elektronskim koracima koji nastaju vibracijama jona pod pobudom svetlosnog talasa. Na primjer, na 1,39 μm, slabljenje je 60 dB/km kada je koncentracija OH- jona 1 × 10⁻⁶.

Gubitak raspršivanja

Gubitak rasejanja je gubitak koji zrači svetlosnu energiju iz optičkog vlakna u obliku rasejanja. To je uzrokovano ne-ujednačenom gustinom unutar vlakna. Glavni tipovi gubitka rasejanja u optičkim vlaknima uključuju Rayleighovo rasejanje, Mie rasejanje, stimulisano Brillouinovo rasejanje, stimulisano Ramanovo rasejanje, dodatne strukturne defekte i rasejanje na savijanje, i rasejanje curenja.

Tokom proizvodnje optičkih vlakana, termičko kretanje molekula u rastopljenom staklu uzrokuje fluktuacije u gustoći i indeksu prelamanja unutar njegove strukture, što zauzvrat uzrokuje raspršivanje svjetlosti. Rasipanje izazvano česticama mnogo manjim od talasne dužine svetlosti naziva se Rayleighovo rasejanje; rasejanje uzrokovano česticama iste talasne dužine kao svetlost naziva se Mie rasejanje.

Rayleighovo raspršivanje je primarni uzrok gubitka vlakana. Rayleighovo rasipanje pokazuje svojstvo da je proporcionalno 1/λ kratke talasne dužine, tj. R=K/λ. Konstanta proporcionalnosti K povezana je sa strukturom i sastavom stakla. Općenito, što je temperatura prijelaza staklom viša i što je njen sastav složeniji, to je veći gubitak Rayleighovog raspršenja.

Na Rayleighovo rasipanje utiče intenzitet upadne svjetlosti. Stimulirano Brillouinovo raspršenje i stimulirano Ramanovo raspršenje, s druge strane, nastaju kada gustina svjetlosne energije pređe određenu visoku vrijednost i nastaju interakcijom između svjetlosti i medija.

Dodatni gubici

Dodatni gubici (ili gubici primjene) su gubici koji potiču iz vanjskih izvora, kao što su oni uzrokovani uvrtanjem vlakana ili bočnim pritiskom tokom izgradnje, instalacije i rada, što rezultira makro-savijanjem i mikro-savijanjem vlakna.

Uzroci gubitka vlakana sažeti su na slici:

Disperzione karakteristike optičkih vlakana

U fizici, disperzija se odnosi na fenomen gdje se svjetlost različitih boja raspršuje nakon prolaska kroz prozirni medij. Snop bijele svjetlosti se dijeli u traku od sedam-boja nakon što prođe kroz prizmu. To je zato što staklo ima različite indekse loma za različite boje (različite frekvencije ili različite valne dužine). Što je duža talasna dužina (ili niža frekvencija), to je niži indeks prelamanja stakla; što je talasna dužina kraća (ili viša frekvencija), veći je indeks loma. Drugim rečima, indeks prelamanja stakla je funkcija frekvencije (ili talasne dužine) svetlosnog talasa. Kada bijela svjetlost sastavljena od različitih boja pada pod istim uglom θ, prema zakonu refrakcije (n=sinθ/n²), različite boje svjetlosti će imati različite uglove prelamanja zbog različitih vrijednosti n², što će odvojiti različite boje svjetlosti, što rezultira disperzijom. Pošto 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 mnogih različitih modova ili frekvencija. Kada signal stigne do terminala, različiti modovi ili frekvencije svjetlosnih valova doživljavaju razlike u kašnjenju prijenosa, uzrokujući izobličenje signala. Ovaj fenomen se zajednički naziva disperzija. Za digitalne signale, disperzija uzrokuje širenje impulsa nakon propagiranja određene udaljenosti kroz vlakno. U teškim slučajevima, uzastopni impulsi će se preklapati, stvarajući intersimbolnu interferenciju. Prema tome, disperzija određuje propusni opseg prijenosa optičkog vlakna i ograničava brzinu prijenosa sistema ili udaljenost repetitora. Disperzija i širina pojasa su iste karakteristike optičkih vlakana opisanih iz različitih perspektiva.

Na osnovu uzroka disperzije, disperzija optičkih vlakana se uglavnom dijeli na: modalnu disperziju, materijalnu disperziju, disperziju talasovoda i disperziju polarizacionog moda, koji će biti predstavljeni u nastavku.

Mode Dispersion

Modalna disperzija općenito postoji u višemodnim vlaknima. Budući da višestruki modovi koegzistiraju u multimodnom vlaknu, a brzine grupnog širenja različitih modova duž ose vlakna su različite, oni će neizbježno stići na terminal u različito vrijeme, što će rezultirati razlikom u vremenskom kašnjenju i formiranjem intermodalne disperzije, uzrokujući širenje širine impulsa. Širenje impulsa zbog modalne disperzije prikazano je na slici 2-10. Za idealno jedno- modalno vlakno, pošto se prenosi samo jedan mod (osnovni mod - LP ili HE mod), ne postoji modalna disperzija, ali postoji disperzija polarizacionog moda.

Sada procjenjujemo maksimalnu modalnu disperziju višemodnog vlakna za korak{0}}indeks. Modalna disperzija koraka-indeks višemodnog vlakna prikazana je na slici 2-11. U višemodnom vlaknu sa korakom{7}}indeksom, dvije najbrže i najsporije zrake koje se šire su zraka ① koja se širi duž ose i zraka ② koja pada pod kritičnim uglom od 0 stepeni, respektivno. Prema tome, maksimalna disperzija moda u višemodnom vlaknu sa stepenastim indeksom je 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, u optičkom vlaknu dužine L, neka brzine svjetlosnih zraka ① i ② duž aksijalnog smjera budu c/n i sinθ·c/n, respektivno. Dakle, modalna disperzija optičkog vlakna je...

U slabo vođenim optičkim vlaknima (vlakna gdje n_ii n_irazlikuju se vrlo malo), A=(n_i- n)/n. Ako je Δ=1%, n_i= 1.5 za optička vlakna od silicijum dioksida, a dužina vlakna je 1 km, tada je maksimalna intermodalna disperzija ΔT_mmože se izračunati kao 50 ns. Stoga je evidentno da što je dužina vlakna veća, to je intermodalna disperzija ozbiljnija; i što je veća relativna razlika indeksa prelamanja Δ, to je veća intermodalna disperzija.

Disperzija materijala

Budući da indeks prelamanja materijala optičkih vlakana varira s talasnom dužinom svjetlosti, grupna brzina različitih frekvencija optičkog signala se razlikuje, što uzrokuje razliku u kašnjenju u prijenosu, fenomen poznat kao disperzija materijala. Ova disperzija zavisi od karakteristika talasne dužine indeksa prelamanja materijala optičkih vlakana i širine linije izvora svetlosti.

U digitalnim optičkim komunikacijskim sistemima, izlazno svjetlo iz stvarnog izvora svjetlosti nije jedne talasne dužine, već ima određenu spektralnu širinu linije. Pošto je indeks prelamanja materijala vlakana funkcija talasne dužine, brzina širenja svetlosti unutar njega (λ)=c/n(λ) takođe varira sa talasnom dužinom. Kada svjetlosni impuls koji emituje izvor svjetlosti sa određenom spektralnom širinom linije upadne na jedno-modno vlakno i propagira, svjetlosni impulsi različitih valnih dužina imat će različite brzine širenja, što će rezultirati razlikom u vremenskom kašnjenju kada stignu do kraja izlaza, uzrokujući širenje impulsa. Ovo je mehanizam disperzije materijala.

Ako se zna da je grupna brzina u=da/dB, tada je grupno kašnjenje po jedinici dužine T=1/v,=n,/c. Dakle, materijalna disperzija optičkog vlakna dužine L je...

U formuli, c je brzina svjetlosti u vakuumu; λ je indeks prelamanja jezgre vlakna; λ je talasna dužina svjetlosti; i Aλ je širina spektralne linije izvora svjetlosti, gdje je Aλ=λ - λ, što predstavlja opseg talasnih dužina sa središtem na A. Generalno, koeficijent disperzije se koristi za mjerenje veličine disperzije. Koeficijent disperzije D (jedinica: ps/(nm·km)) je definiran kao...

Može se vidjeti da je koeficijent disperzije disperzija uzrokovana izvorom svjetlosti sa jediničnom širinom spektralne linije koja se širi u jediničnoj dužini optičkog vlakna. Ako je poznat koeficijent disperzije materijala optičkog vlakna, disperzija materijala se može lako izračunati kao ΔTm=DmAAL.

Primjer 2-1: Pretpostavimo da je maksimalni koeficijent disperzije materijala optičkog vlakna na talasnoj dužini od 1,31m D=3.5ps/(nm·km). Ako se poluvodički laser sa centralnom talasnom dužinom od 1,31 µm koristi za generisanje transmisione svjetlosti sa širinom spektralne linije od λ=4 nm, izračunajte disperziju materijala uzrokovanu ovom svjetlošću koja se širi u 1 km dužine optičkog vlakna.

Rješenje: Materijalna disperzija 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 i manja od modalne disperzije višemodnog vlakna sa stepenastim indeksom. Također treba napomenuti da koeficijent disperzije optičkog vlakna (ne samo koeficijent disperzije materijala) može biti pozitivan ili negativan. U optičkom vlaknu, grupno kašnjenje (A) raste sa talasnom dužinom nosioca; drugim riječima, svjetlosni valovi kraće valne dužine šire se brže. U ovom slučaju, koeficijent disperzije je negativan, što se naziva negativna disperzija; obrnuto, svetlosni talasi dužine talasne dužine šire se sporije od svetlosnih talasa kraće talasne dužine.

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

disperzija talasovoda

Talasna disperzija ΔTw se odnosi na specifičan vođeni mod u optičkom vlaknu. Različite valne dužine imaju različite fazne konstante, što rezultira različitim grupnim brzinama, a time i disperzijom. Disperzija talasovoda je takođe povezana sa različitim faktorima kao što su strukturni parametri optičkog vlakna i relativna razlika indeksa prelamanja između jezgre i omotača; stoga se naziva i strukturna disperzija.

Disperzija polarizacionog moda

Polarizacijski način disperzije je vrsta disperzije jedinstvena za jednostruka -modna optička vlakna. Budući da jednomodna vlakna zapravo prenose dva međusobno ortogonalna polarizacijska moda, njihova električna polja su polarizirana duž x i y smjera, respektivno.

Optički propusni opseg

Disperzija i propusni opseg optičkih vlakana opisuju istu karakteristiku. U stvari, disperzija opisuje stepen do kojeg se svetlosni impuls širi duž vremenske ose nakon transmisije; to je opis karakteristika vlakana u vremenskom domenu. Širina pojasa, s druge strane, opisuje ovu karakteristiku u frekvencijskom domenu. U frekvencijskom domenu, za modulirajući signal, optičko vlakno se može smatrati niskopropusnim-filterom. Kada visokofrekventne komponente modulirajućeg signala prođu kroz njega, one su jako oslabljene. To jest, ako amplituda ulaznog signala (modulirajući signal) ostane konstantna, ali se mijenja samo frekvencija, amplituda izlaznog signala nakon prijenosa kroz vlakno će se mijenjati s frekvencijom modulirajućeg signala (ulaznog signala). TTU-T preporučuje specificiranje da je propusni opseg optičkog vlakna [propusnost po kilometru].