Charakterystyka włókien optycznych

Poprzesyłane są sygnały optycznew pewnej odległości przez światłowód ulegają tłumieniu i zniekształceniom, powodując różnicę między wejściowymi i wyjściowymi impulsami sygnału optycznego. Przejawia się to jako tłumienie amplitudy i poszerzenie kształtu fali impulsów optycznych. Przyczyną tego zjawiska jest obecność strat i dyspersji wewnątrz światłowodu. Strata i dyspersja to najważniejsze parametry opisujące charakterystykę transmisyjną włókien optycznych, ograniczające odległość transmisji i przepustowość systemu. W tej części omówiono przede wszystkim mechanizmy i charakterystykę strat i dyspersji światłowodu.

★Charakterystyka włókien optycznych (część 2)

Charakterystyka strat w światłowodzie

Utrata włókna optycznego prowadzi do tłumienia sygnału, dlatego też strata w światłowodzie nazywana jest również tłumieniem. Wraz ze wzrostem odległości w światłowodzie natężenie sygnału świetlnego maleje następująco: P(z)=P(0) /10 - (4) gdzie P(z) to moc optyczna na odległość transmisji z; P(0) to moc optyczna wejściowa do światłowodu, tj. moc optyczna wtryskiwana w z=0; (λ) to współczynnik tłumienia światłowodu przy długości fali w dB/km; a L to odległość transmisji.

Gdy t=L, współczynnik tłumienia światłowodu definiuje się jako

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

Gdy robocza długość fali λ wynosi dB, jeśli współczynnik tłumienia jest mierzony w jednostkach dB na kilometr, wówczas A(λ) (jednostka to dB) wyraża się jako:

A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]

Komunikacja światłowodowa rozwijała się wraz z ciągłymi udoskonaleniami w produkcji włókien optycznych, w szczególności w zakresie zmniejszania strat włókien. Straty w światłowodzie są jednym z głównych czynników określających odległość przekaźnika w systemie komunikacji światłowodowej. Do utraty włókien przyczynia się wiele czynników, przede wszystkim utrata absorpcji, utrata rozproszenia i strata dodatkowa, a mechanizmy leżące u podstaw tych strat są dość złożone. W poniższej dyskusji wykorzystano światłowód krzemionkowy jako przykład w celu zilustrowania różnych przyczyn strat.

Utrata absorpcji

Strata absorpcji obejmuje głównie absorpcję wewnętrzną, absorpcję zanieczyszczeń (rodniki OH) i absorpcję defektów strukturalnych. Absorpcja wewnętrzna obejmuje absorpcję w podczerwieni i ultrafiolecie.

Absorpcja podczerwieni to absorpcja energii świetlnej spowodowana rezonansem molekularnym, gdy światło przechodzi przez szkło kwarcowe składające się z SiO2. Na przykład piki absorpcji Si-O wynoszą 9,1 μm, 12,5 μm i 21,3 μm, a straty absorpcji w światłowodzie sięgają 10 dB/km przy 9,1 μm. Absorpcja ultrafioletu to energia pochłaniana, gdy elektrony są wzbudzane w celu przejścia na wyższy poziom energii przez fale świetlne. Absorpcja ta zachodzi w obszarze ultrafioletu i dlatego jest zwykle nazywana absorpcją ultrafioletu. Materiały szklane zawierają jony metali przejściowych, takich jak żelazo i miedź, a także jony OH-. Absorpcja zanieczyszczeń to strata spowodowana absorpcją energii świetlnej przez etapy elektronowe generowane przez wibracje jonów pod wzbudzeniem fali świetlnej. Na przykład przy 1,39 μm tłumienie wynosi 60 dB/km, gdy stężenie jonów OH- wynosi 1 × 10⁻⁶.

Rozpraszająca strata

Strata rozproszenia to strata, która wypromieniowuje energię świetlną ze światłowodu w postaci rozproszenia. Jest to spowodowane nierównomierną-gęstością włókna. Do głównych rodzajów strat rozproszonych w światłowodach zalicza się rozpraszanie Rayleigha, rozpraszanie Mie, stymulowane rozpraszanie Brillouina, stymulowane rozpraszanie Ramana, dodatkowe defekty strukturalne i rozpraszanie zginania oraz rozpraszanie wycieków.

Podczas produkcji światłowodu ruch termiczny cząsteczek roztopionego szkła powoduje wahania gęstości i współczynnika załamania światła w jego strukturze, co z kolei powoduje rozpraszanie światła. Rozpraszanie spowodowane przez cząstki znacznie mniejsze niż długość fali światła nazywa się rozpraszaniem Rayleigha; rozpraszanie spowodowane przez cząstki o tej samej długości fali co światło nazywa się rozpraszaniem Mie.

Rozpraszanie Rayleigha jest główną przyczyną utraty włókien. Rozpraszanie Rayleigha wykazuje właściwość proporcjonalności do 1/λ krótkiej fali, tj. R=K/λ. Stała proporcjonalności K jest powiązana ze strukturą i składem szkła. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa temperatura zeszklenia i im bardziej złożony jest jego skład, tym większe są straty spowodowane rozpraszaniem Rayleigha.

Na rozpraszanie Rayleigha wpływa intensywność padającego światła. Natomiast wymuszone rozpraszanie Brillouina i wymuszone rozpraszanie Ramana występują, gdy gęstość energii świetlnej przekracza pewną wysoką wartość i powstają w wyniku interakcji światła z ośrodkiem.

Dodatkowe straty

Straty dodatkowe (lub straty aplikacyjne) to straty pochodzące ze źródeł zewnętrznych, takie jak te spowodowane skręceniem włókna lub ciśnieniem bocznym podczas budowy, instalacji i eksploatacji, powodujące makro-zginanie i mikro-zginanie włókna.

Przyczyny utraty włókien podsumowano na rysunku:

Charakterystyka dyspersyjna włókien optycznych

W fizyce dyspersja odnosi się do zjawiska, w którym światło o różnych barwach ulega rozproszeniu po przejściu przez przezroczysty ośrodek. Po przejściu przez pryzmat wiązka białego światła zostaje rozdzielona na siedmio-kolorowe pasmo. Dzieje się tak, ponieważ szkło ma różne współczynniki załamania światła dla różnych kolorów (różne częstotliwości lub różne długości fal). Im dłuższa długość fali (lub niższa częstotliwość), tym niższy współczynnik załamania światła szkła; im krótsza długość fali (lub im wyższa częstotliwość), tym wyższy współczynnik załamania światła. Innymi słowy, współczynnik załamania światła szkła jest funkcją częstotliwości (lub długości fali) fali świetlnej. Kiedy białe światło złożone z różnych kolorów pada pod tym samym kątem θ, zgodnie z prawem załamania światła (n=sinθ/n²), różne kolory światła będą miały różne kąty załamania ze względu na różne wartości n², oddzielając w ten sposób różne kolory światła, powodując rozproszenie. Ponieważ n=c/n (gdzie c jest prędkością światła, c=3 × 10⁻⁶ m/s), jasne jest, że różne kolory światła przemieszczają się w szkle z różnymi prędkościami.

W teorii propagacji światłowodów poszerzono znaczenie terminu „dyspersja”. W światłowodach sygnały są przenoszone i transmitowane przez fale świetlne o wielu różnych modach i częstotliwościach. Kiedy sygnał dociera do terminala, różne tryby lub częstotliwości fal świetlnych doświadczają różnic w opóźnieniu transmisji, powodując zniekształcenie sygnału. Zjawisko to nazywane jest łącznie dyspersją. W przypadku sygnałów cyfrowych dyspersja powoduje poszerzenie impulsu po przebyciu określonej odległości przez światłowód. W ciężkich przypadkach kolejne impulsy będą się nakładać, tworząc zakłócenia międzysymbolowe. Dlatego dyspersja określa szerokość pasma transmisji światłowodu i ogranicza szybkość transmisji systemu lub odległość wzmacniaka. Dyspersja i szerokość pasma są tą samą cechą włókien optycznych opisywanych z różnych perspektyw.

Ze względu na przyczyny dyspersji dyspersję światłowodów dzieli się głównie na: dyspersję modową, dyspersję materiałową, dyspersję falowodową i dyspersję modową polaryzacyjną, co zostanie przedstawione poniżej.

Dyspersja modowa

Dyspersja modowa na ogół występuje we włóknach wielomodowych. Ponieważ we włóknie wielomodowym współistnieje wiele modów, a prędkości propagacji grupowej różnych modów wzdłuż osi światłowodu są różne, nieuchronnie dotrą one do terminala w różnym czasie, powodując różnicę opóźnienia czasowego i tworząc dyspersję intermodalną, powodując w ten sposób poszerzenie szerokości impulsu. Poszerzenie impulsu spowodowane dyspersją modową pokazano na rysunku 2-10. W przypadku idealnego światłowodu jedno-modowego, ponieważ przesyłany jest tylko jeden mod (mod podstawowy – tryb LP lub HE), nie ma dyspersji modowej, ale istnieje dyspersja trybu polaryzacyjnego.

Teraz szacujemy maksymalną dyspersję modową światłowodu wielomodowego o indeksie schodkowym. Dyspersja modowa światłowodu wielomodowego step-pokazana jest na rysunku 2-11. We włóknie wielomodowym krokowym dwa najszybciej i najwolniej propagujące się promienie to odpowiednio promień ① propagujący wzdłuż osi i promień ② padający pod kątem krytycznym 0 stopni. Zatem maksymalna dyspersja modowa we włóknie wielomodowym o indeksie skokowym jest różnicą czasu pomiędzy czasem potrzebnym promieniowi ② (Tmax) a czasem potrzebnym promieniowi ① (Tmin) na dotarcie do terminala, ΔT_muks: ΔT_muks = T_maks / T_min

Zgodnie z optyką geometryczną, w światłowodzie o długości L, niech prędkości promieni świetlnych ① i ② wzdłuż kierunku osiowego będą wynosić odpowiednio c/n i sinθ·c/n. Zatem dyspersja modowa światłowodu wynosi...

W słabo kierowanych światłowodach (włókien, gdzie n_ii n_iróżnią się bardzo niewiele), A=(n_i- n)/n. Jeśli Δ=1%, n_i= 1.5 dla włókien krzemionkowych, a długość włókna wynosi 1 km, wówczas maksymalna dyspersja intermodalna ΔT_mmożna obliczyć jako 50 ns. Dlatego oczywiste jest, że im większa długość włókna, tym większe rozproszenie intermodalne; i im większa jest względna różnica współczynnika załamania światła Δ, tym poważniejsze jest rozproszenie intermodalne.

Dyspersja materiału

Ponieważ współczynnik załamania światła materiałów światłowodowych zmienia się wraz z długością fali światła, prędkość grupowa różnych częstotliwości sygnału optycznego jest różna, powodując różnicę opóźnienia transmisji, zjawisko znane jako dyspersja materiału. Rozproszenie to zależy od charakterystyki długości fali współczynnika załamania światła materiału światłowodowego i szerokości linii źródła światła.

W cyfrowych systemach komunikacji światłowodowej światło wyjściowe z rzeczywistego źródła światła nie ma pojedynczej długości fali, ale ma określoną szerokość widmową linii. Ponieważ współczynnik załamania światła materiału włóknistego jest funkcją długości fali, prędkość propagacji światła w nim (λ)=c/n(λ) również zmienia się wraz z długością fali. Kiedy impuls świetlny emitowany przez źródło światła o określonej szerokości linii widmowej pada na światłowód jedno-modowy i rozchodzi się, impulsy świetlne o różnych długościach fal będą miały różną prędkość propagacji, co skutkuje różnicą czasu opóźnienia po dotarciu do końca wyjściowego, powodując w ten sposób poszerzenie impulsu. Na tym polega mechanizm dyspersji materiału.

Jeśli wiadomo, że prędkość grupowa wynosi u=da/dB, wówczas opóźnienie grupowe na jednostkę długości wynosi T=1/v,=n,/c. Zatem dyspersja materiałowa światłowodu o długości L wynosi...

We wzorze c jest prędkością światła w próżni; λ jest współczynnikiem załamania światła rdzenia światłowodu; λ jest długością fali światła; a Aλ jest szerokością linii widmowej źródła światła, gdzie Aλ=λ - λ reprezentuje zakres długości fal skupiony w punkcie A. Ogólnie rzecz biorąc, współczynnik dyspersji służy do pomiaru wielkości rozproszenia. Współczynnik dyspersji D (jednostka: ps/(nm·km)) definiuje się jako...

Można zauważyć, że współczynnik dyspersji to dyspersja spowodowana przez źródło światła o jednostkowej szerokości linii widmowej rozchodzącej się na jednostkę długości światłowodu. Jeśli znany jest współczynnik dyspersji materiału światłowodu, dyspersję materiału można łatwo obliczyć jako ΔTm=DmAAL.

Przykład 2-1: Załóżmy, że maksymalny współczynnik dyspersji materiału światłowodu przy długości fali 1,31 m wynosi D=3.5ps/(nm·km). Jeśli do generowania światła transmisyjnego o szerokości linii widmowej λ=4nm używany jest laser półprzewodnikowy o środkowej długości fali 1,31 µm, należy obliczyć dyspersję materiału spowodowaną rozchodzeniem się tego światła w światłowodzie o długości 1 km.

Rozwiązanie: Dyspersję materiałową światłowodu można łatwo obliczyć ze wzoru:

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

Jak widać w przykładzie 2-1, dyspersja materiału jest stosunkowo mała, nawet mniejsza niż dyspersja modowa światłowodu wielomodowego o indeksie skokowym. Należy również zauważyć, że współczynnik dyspersji światłowodu (nie tylko współczynnik dyspersji materiału) może być dodatni lub ujemny. W światłowodzie opóźnienie grupowe (A) rośnie wraz z długością fali nośnej; innymi słowy, fale świetlne o krótszej długości fali rozchodzą się szybciej. W tym przypadku współczynnik dyspersji jest ujemny i nazywany jest dyspersją ujemną; i odwrotnie, fale świetlne o dłuższej długości fali rozchodzą się wolniej niż fale świetlne o krótszej długości fali.

Tutaj współczynnik dyspersji jest dodatni, nazywany dyspersją dodatnią. Oczywiście, jeśli dwa włókna światłowodowe o przeciwnych znakach współczynnika dyspersji zostaną ze sobą stopione, dyspersja materiału ulegnie poprawie.

dyspersja falowodu

Dyspersja falowodu ΔTw odnosi się do określonego trybu prowadzonego w światłowodzie. Różne długości fal mają różne stałe fazowe, co skutkuje różnymi prędkościami grupowymi, a tym samym dyspersją. Dyspersja falowodu jest również powiązana z różnymi czynnikami, takimi jak parametry strukturalne światłowodu i względna różnica współczynnika załamania światła pomiędzy rdzeniem a płaszczem; dlatego nazywa się to również dyspersją strukturalną.

Dyspersja w trybie polaryzacyjnym

Dyspersja trybu polaryzacyjnego to rodzaj dyspersji charakterystyczny dla światłowodów jednomodowych. Ponieważ włókna jednomodowe faktycznie transmitują dwa wzajemnie ortogonalne mody polaryzacji, ich pola elektryczne są spolaryzowane odpowiednio wzdłuż kierunków x i y.

Szerokość pasma światłowodu

Dyspersja i szerokość pasma włókien optycznych opisują tę samą charakterystykę. W rzeczywistości rozproszenie opisuje stopień, w jakim impuls świetlny rozszerza się wzdłuż osi czasu po transmisji; jest to opis charakterystyki światłowodu w dziedzinie czasu. Z drugiej strony szerokość pasma opisuje tę cechę w dziedzinie częstotliwości. W dziedzinie częstotliwości w przypadku sygnału modulującego światłowód można uznać za filtr dolnoprzepustowy. Kiedy przechodzą przez niego-składniki sygnału modulującego o wysokiej częstotliwości, są one poważnie tłumione. Oznacza to, że jeśli amplituda sygnału wejściowego (sygnału modulującego) pozostaje stała, ale zmienia się tylko częstotliwość, to amplituda sygnału wyjściowego po przesłaniu przez światłowód będzie zmieniać się wraz z częstotliwością sygnału modulującego (sygnału wejściowego). TTU-T zaleca określenie, że szerokość pasma światłowodu wynosi [przepustowość na kilometr].