Značilnosti optičnih vlaken

Popotujejo optični signalina določeni razdalji skozi optično vlakno pride do slabljenja in popačenja, zaradi česar se vhodni in izhodni impulzi optičnega signala razlikujejo. To se kaže kot oslabitev amplitude in razširitev valovne oblike optičnih impulzov. Vzrok tega pojava je prisotnost izgub in disperzije znotraj optičnega vlakna. Izguba in disperzija sta najpomembnejša parametra, ki opisujeta prenosne lastnosti optičnih vlaken, ki omejujejo prenosno razdaljo in zmogljivost sistema. Ta razdelek obravnava predvsem mehanizme in značilnosti izgube in disperzije optičnih vlaken.

★Lastnosti optičnih vlaken (2. del)

Izgubne lastnosti optičnega vlakna

Izguba optičnega vlakna povzroči oslabitev signala, zato se izguba optičnega vlakna imenuje tudi oslabitev. Ko se razdalja v optičnem vlaknu povečuje, se intenziteta svetlobnega signala zmanjšuje, kot sledi: P(z)=P(0) /10 - (4) kjer je P(z) optična moč na razdalji prenosa z; P(0) je vhodna optična moč v optično vlakno, tj. optična moč, vbrizgana pri z=0; (λ) je koeficient slabljenja optičnega vlakna pri valovni dolžini v dB/km; in L je razdalja prenosa.

Ko je t=L, je koeficient slabljenja vlakna opredeljen kot

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

Ko je delovna valovna dolžina λ dB, če se koeficient slabljenja meri v enotah dB na kilometer, potem je A(λ) (enota dB) izražen kot:

A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]

Komunikacija z optičnimi vlakni se je razvila skupaj z nenehnimi izboljšavami v proizvodnji optičnih vlaken, zlasti z zmanjšanjem izgube vlaken. Izguba vlaken je eden glavnih dejavnikov, ki določajo razdaljo releja v komunikacijskem sistemu z optičnimi vlakni. Številni dejavniki prispevajo k izgubi vlaken, predvsem izguba absorpcije, izguba sipanja in dodatna izguba, mehanizmi, na katerih temeljijo te izgube, pa so precej zapleteni. Naslednja razprava uporablja silicijeva optična vlakna kot primer za ponazoritev različnih vzrokov izgube.

Izguba absorpcije

Absorpcijska izguba vključuje predvsem intrinzično absorpcijo, absorpcijo nečistoč (OH radikali) in absorpcijo strukturnih napak. Intrinzična absorpcija vključuje infrardečo in ultravijolično absorpcijo.

Infrardeča absorpcija je absorpcija svetlobne energije, ki jo povzroči molekularna resonanca, ko svetloba prehaja skozi kremenčevo steklo, sestavljeno iz SiO2. Absorpcijski vrhovi Si-O so na primer pri 9,1 μm, 12,5 μm in 21,3 μm, absorpcijska izguba optičnih vlaken pa je kar 10 dB/km pri 9,1 μm. Ultravijolična absorpcija je energija, ki se absorbira, ko so elektroni vzburjeni za prehod na višje energijske ravni s svetlobnimi valovi. Ta absorpcija poteka v ultravijoličnem območju in se zato običajno imenuje ultravijolična absorpcija. Stekleni materiali vsebujejo ione prehodnih kovin, kot sta železo in baker, pa tudi ione OH-. Absorpcija nečistoč je izguba, ki jo povzroči absorpcija svetlobne energije s stopnicami elektronov, ki nastanejo zaradi nihanja ionov pod vzbujanjem svetlobnih valov. Na primer, pri 1,39 μm je slabljenje 60 dB/km, ko je koncentracija ionov OH- 1 × 10⁻⁶.

Izguba zaradi sipanja

Izguba zaradi sipanja je izguba, ki oddaja svetlobno energijo iz optičnega vlakna v obliki sipanja. Povzroča ga ne-enakomerna gostota v vlaknu. Glavne vrste izgub zaradi sipanja v optičnih vlaknih vključujejo Rayleighovo sipanje, Miejevo sipanje, stimulirano Brillouinovo sipanje, stimulirano Ramanovo sipanje, dodatne strukturne napake in sipanje pri upogibu ter sipanje zaradi uhajanja.

Med proizvodnjo optičnih vlaken toplotno gibanje molekul v staljenem steklu povzroči nihanje gostote in lomnega količnika v njegovi strukturi, kar posledično povzroči sipanje svetlobe. Sipanje, ki ga povzročajo delci, ki so veliko manjši od valovne dolžine svetlobe, se imenuje Rayleighovo sipanje; sipanje, ki ga povzročijo delci enake valovne dolžine kot svetloba, se imenuje Miejevo sipanje.

Rayleighovo sipanje je glavni vzrok za izgubo vlaken. Rayleighovo sipanje kaže lastnost, da je sorazmerno z 1/λ kratke valovne dolžine, tj. R=K/λ. Proporcionalna konstanta K je povezana s strukturo in sestavo stekla. Na splošno velja, da višja kot je temperatura posteklenitve in bolj kompleksna je njegova sestava, večja je izguba Rayleighovega sipanja.

Na Rayleighovo sipanje vpliva intenzivnost vpadne svetlobe. Stimulirano Brillouinovo sipanje in stimulirano Ramanovo sipanje pa se pojavita, ko gostota svetlobne energije preseže določeno visoko vrednost in nastaneta zaradi interakcije med svetlobo in medijem.

Dodatne izgube

Dodatne izgube (ali izgube pri uporabi) so izgube, ki izvirajo iz zunanjih virov, kot so tiste, ki jih povzroči zvijanje vlaken ali bočni pritisk med konstrukcijo, namestitvijo in delovanjem, kar ima za posledico makro-in mikro-upogibanje vlaken.

Vzroki za izgubo vlaken so povzeti na sliki:

Disperzijske lastnosti optičnih vlaken

V fiziki se disperzija nanaša na pojav, ko se svetloba različnih barv po prehodu skozi prozoren medij razprši. Žarek bele svetlobe se po prehodu skozi prizmo razdeli na sedem-barvni pas. To je zato, ker ima steklo različne lomne količnike za različne barve (različne frekvence ali različne valovne dolžine). Daljša kot je valovna dolžina (ali nižja kot je frekvenca), nižji je lomni količnik stekla; krajša kot je valovna dolžina (ali višja kot je frekvenca), višji je lomni količnik. Z drugimi besedami, lomni količnik stekla je funkcija frekvence (ali valovne dolžine) svetlobnega valovanja. Ko bela svetloba, sestavljena iz različnih barv, vpada pod enakim kotom θ, bodo imele v skladu z zakonom o lomu (n=sinθ/n²) različne barve svetlobe različne lomne kote zaradi različnih vrednosti n², kar bo ločevalo različne barve svetlobe, kar bo povzročilo disperzijo. Ker je n=c/n (kjer je c hitrost svetlobe, c=3 × 10⁻⁶ m/s), je jasno, da različne barve svetlobe potujejo v steklu z različnimi hitrostmi.

V teoriji širjenja optičnih vlaken je bil pomen izraza "razpršenost" razširjen. V optičnih vlaknih se signali prenašajo in prenašajo s svetlobnimi valovi številnih različnih načinov ali frekvenc. Ko signal doseže terminal, se pri različnih načinih ali frekvencah svetlobnih valov pojavijo razlike v zakasnitvi prenosa, kar povzroči popačenje signala. Ta pojav se s skupnim imenom imenuje disperzija. Pri digitalnih signalih disperzija povzroči razširitev impulza po širjenju določene razdalje skozi vlakno. V hudih primerih se bodo zaporedni impulzi prekrivali in tvorili medsimbolne motnje. Zato disperzija določa pasovno širino prenosa optičnega vlakna in omejuje hitrost prenosa sistema ali razdaljo repetitorja. Disperzija in pasovna širina sta enaki značilnosti optičnih vlaken, opisanih z različnih perspektiv.

Glede na vzroke disperzije se disperzija optičnih vlaken v glavnem deli na: modalno disperzijo, materialno disperzijo, valovodno disperzijo in disperzijo polarizacijskega načina, ki bo predstavljena spodaj.

Način Disperzija

Modalna disperzija na splošno obstaja v večmodnih vlaknih. Ker več načinov obstaja sočasno v večmodnem vlaknu in so hitrosti skupinskega širjenja različnih načinov vzdolž osi vlakna različne, bodo neizogibno prispeli na terminal ob različnih časih, kar bo povzročilo razliko v časovni zakasnitvi in ​​oblikovalo intermodalno disperzijo, kar bo povzročilo širjenje širine impulza. Širitev impulza zaradi modalne disperzije je prikazana na sliki 2-10. Za idealno eno-modno vlakno, ker se prenaša samo en način (osnovni način - način LP ali HE), ni modalne disperzije, obstaja pa disperzija polarizacijskega načina.

Zdaj ocenjujemo največjo modalno razpršenost stopenj-indeksnega večmodnega vlakna. Modalna disperzija stopenj-indeksnega večmodnega vlakna je prikazana na sliki 2-11. V stop-indeksnem večmodnem vlaknu sta dva najhitrejša in najpočasnejša žarka, ki se širita vzdolž osi, in žarek ②, ki vpadata pod kritičnim kotom 0 stopinj. Zato je največja disperzija načina v večmodovnem vlaknu s stopenjskim indeksom časovna razlika med časom, ki ga potrebuje žarek ② (Tmax) in časom, ki ga potrebuje žarek 1 (Tmin), da doseže terminal, ΔT_mux: ΔT_mux = T_maks / T_min

Glede na geometrijsko optiko naj bosta v optičnem vlaknu dolžine L hitrosti svetlobnih žarkov ① in ② vzdolž aksialne smeri c/n oziroma sinθ·c/n. Zato je modalna disperzija optičnega vlakna ...

Pri šibko vodenih optičnih vlaknih (vlakna, kjer je n_iin n_izelo malo razlikujejo), A=(n_i- n)/n. Če je Δ=1%, n_i= 1.5 za optična vlakna iz silicijevega dioksida in je dolžina vlakna 1 km, potem največja intermodalna disperzija ΔT_mse lahko izračuna kot 50 ns. Zato je očitno, da daljša kot je dolžina vlakna, hujša je intermodalna disperzija; in večja kot je relativna razlika lomnega količnika Δ, hujša je intermodalna disperzija.

Disperzija materiala

Ker se lomni količnik materialov iz optičnih vlaken spreminja glede na valovno dolžino svetlobe, se skupinska hitrost različnih frekvenc optičnega signala razlikuje, kar povzroči razliko v zakasnitvi prenosa, pojav, znan kot disperzija materiala. Ta disperzija je odvisna od značilnosti valovne dolžine lomnega količnika materiala optičnega vlakna in širine črte vira svetlobe.

V digitalnih komunikacijskih sistemih z optičnimi vlakni izhodna svetloba dejanskega svetlobnega vira ni ena valovna dolžina, ampak ima določeno spektralno širino. Ker je lomni količnik vlaknastega materiala funkcija valovne dolžine, se z valovno dolžino spreminja tudi hitrost širjenja svetlobe v njem (λ)=c/n(λ). Ko svetlobni impulz, ki ga oddaja svetlobni vir z določeno spektralno širino črte, vpade na eno-načinsko vlakno in se razširi, bodo imeli svetlobni impulzi različnih valovnih dolžin različne hitrosti širjenja, kar povzroči razliko v časovnem zamiku, ko dosežejo izhodni konec, kar povzroči širjenje impulza. To je mehanizem disperzije materiala.

Če je znano, da je skupinska hitrost u=da/dB, je skupinska zakasnitev na enoto dolžine T=1/v,=n,/c. Zato je materialna disperzija optičnega vlakna dolžine L ...

V formuli je c hitrost svetlobe v vakuumu; λ je lomni količnik jedra vlakna; λ je valovna dolžina svetlobe; in Aλ je spektralna širina črte svetlobnega vira, kjer Aλ=λ - λ predstavlja območje valovnih dolžin s središčem v A. Na splošno se disperzijski koeficient uporablja za merjenje velikosti disperzije. Disperzijski koeficient D (enota: ps/(nm·km)) je opredeljen kot...

Vidimo lahko, da je disperzijski koeficient disperzija, ki jo povzroči vir svetlobe z enoto spektralne širine črte, ki se širi v enoti dolžine optičnega vlakna. Če je koeficient disperzije materiala optičnega vlakna znan, je disperzijo materiala mogoče enostavno izračunati kot ΔTm=DmAAL.

Primer 2-1: Predpostavimo, da je največji disperzijski koeficient materiala optičnega vlakna pri valovni dolžini 1,31 m D=3.5ps/(nm·km). Če se polprevodniški laser s središčno valovno dolžino 1,31 µm uporablja za generiranje transmisijske svetlobe s spektralno širino črte λ=4nm, izračunajte materialno disperzijo, ki jo povzroči ta svetloba, ki se širi v 1 km dolžini optičnega vlakna.

Rešitev: Disperzijo materiala optičnega vlakna je mogoče enostavno izračunati kot:

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

Kot je razvidno iz primera 2-1, je materialna disperzija razmeroma majhna, celo manjša od modalne disperzije večmodnega vlakna s stopenjskim indeksom. Upoštevati je treba tudi, da je disperzijski koeficient optičnega vlakna (ne samo materialni disperzijski koeficient) lahko pozitiven ali negativen. V optičnih vlaknih se skupinska zakasnitev (A) povečuje z nosilno valovno dolžino; z drugimi besedami, svetlobni valovi s krajšo valovno dolžino se širijo hitreje. V tem primeru je disperzijski koeficient negativen, kar se imenuje negativna disperzija; nasprotno pa se svetlobni valovi z daljšo valovno dolžino širijo počasneje kot svetlobni valovi s krajšo valovno dolžino.

Tukaj je disperzijski koeficient pozitiven, kar se imenuje pozitivna disperzija. Jasno je, da če sta dve optični vlakni z nasprotnimi znaki disperzijskega koeficienta spojeni skupaj, se bo disperzija materiala izboljšala.

valovodna disperzija

Disperzija valovoda ΔTw se nanaša na poseben vodeni način v optičnem vlaknu. Različne valovne dolžine imajo različne fazne konstante, kar povzroči različne skupinske hitrosti in s tem disperzijo. Disperzija valovoda je povezana tudi z različnimi dejavniki, kot so strukturni parametri optičnega vlakna in relativna razlika lomnega količnika med jedrom in oblogo; zato jo imenujemo tudi strukturna disperzija.

Disperzija polarizacijskega načina

Polarizacijska disperzija je vrsta disperzije, ki je edinstvena za eno-optična vlakna. Ker eno{2}}modna vlakna dejansko prenašajo dva medsebojno pravokotna polarizacijska načina, so njihova električna polja polarizirana vzdolž smeri x oziroma y.

Pasovna širina optičnih vlaken

Disperzija in pasovna širina optičnih vlaken opisujeta isto karakteristiko. Pravzaprav disperzija opisuje obseg, do katerega se svetlobni impulz razširi vzdolž časovne osi po prenosu; to je opis značilnosti vlakna v časovni domeni. Pasovna širina na drugi strani opisuje to značilnost v frekvenčni domeni. V frekvenčni domeni lahko za modulirajoči signal optično vlakno štejemo za nizkopasovni-filter. Ko visokofrekvenčne-komponente modulacijskega signala preidejo skozenj, so močno oslabljene. To pomeni, da če amplituda vhodnega signala (moduliranega signala) ostane konstantna, spremeni pa se le frekvenca, se bo amplituda izhodnega signala po prenosu skozi vlakno spremenila s frekvenco moduliranega signala (vhodnega signala). TTU-T priporoča določitev, da je pasovna širina optičnega vlakna [pasovna širina na kilometer].