Pooptické signály sa šíriav určitej vzdialenosti cez optické vlákno dochádza k ich útlmu a skresleniu, čo spôsobí, že vstupné a výstupné impulzy optického signálu sa líšia. To sa prejavuje ako zoslabenie amplitúdy a rozšírenie tvaru vlny optických impulzov. Príčinou tohto javu je prítomnosť straty a disperzie v optickom vlákne. Strata a rozptyl sú najdôležitejšie parametre popisujúce prenosové charakteristiky optických vlákien, obmedzujúce prenosovú vzdialenosť a kapacitu systému. Táto časť sa zaoberá predovšetkým mechanizmami a charakteristikami straty a disperzie optických vlákien.
★Charakteristiky optických vlákien (časť 2)
Stratové charakteristiky optického vlákna
Strata optického vlákna vedie k útlmu signálu, preto sa strata optického vlákna nazýva aj útlm. Keď sa vzdialenosť v optickom vlákne zväčšuje, intenzita svetelného signálu sa znižuje nasledovne: P(z)=P(0) /10 - (4) kde P(z) je optický výkon na prenosovej vzdialenosti z; P(0) je optický príkon do optického vlákna, tj optický výkon vložený pri z=0; (λ) je koeficient útlmu optického vlákna pri vlnovej dĺžke v dB/km; a L je prenosová vzdialenosť.
Keď t=L, koeficient útlmu vlákna je definovaný ako
(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]
Keď je pracovná vlnová dĺžka λ dB, ak sa koeficient útlmu meria v jednotkách dB na kilometer, potom A(λ) (jednotka je dB) je vyjadrená ako:
A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]
Komunikácia s optickými vláknami sa vyvinula spolu s neustálym zlepšovaním výroby optických vlákien, konkrétne znižovaním straty vlákien. Strata vlákna je jedným z hlavných faktorov určujúcich vzdialenosť relé v komunikačnom systéme s optickými vláknami. K strate vlákniny prispieva mnoho faktorov, predovšetkým strata absorpcie, strata rozptylom a dodatočná strata, a mechanizmy, ktoré sú základom týchto strát, sú pomerne zložité. Nasledujúca diskusia používa optické vlákno z oxidu kremičitého ako príklad na ilustráciu rôznych príčin strát.
Absorpčná strata
Absorpčná strata zahŕňa hlavne vnútornú absorpciu, absorpciu nečistôt (OH radikály) a absorpciu štrukturálnych defektov. Vnútorná absorpcia zahŕňa infračervenú a ultrafialovú absorpciu.
Infračervená absorpcia je absorpcia svetelnej energie spôsobená molekulárnou rezonanciou pri prechode svetla cez kremenné sklo zložené z SiO2. Napríklad absorpčné vrcholy Si-O sú 9,1 μm, 12,5 μm a 21,3 μm a absorpčná strata optického vlákna je až 10 dB/km pri 9,1 μm. Absorpcia ultrafialového žiarenia je energia absorbovaná, keď sú elektróny excitované na prechod na vyššiu energetickú hladinu svetelnými vlnami. K tejto absorpcii dochádza v ultrafialovej oblasti, a preto sa zvyčajne nazýva absorpcia ultrafialového žiarenia. Sklenené materiály obsahujú ióny prechodných kovov, ako je železo a meď, ako aj ióny OH-. Absorpcia nečistôt je strata spôsobená absorpciou svetelnej energie elektrónovými krokmi generovanými vibráciami iónov pri excitácii svetelnými vlnami. Napríklad pri 1,39 μm je útlm 60 dB/km, keď je koncentrácia OH- iónov 1 × 10⁻⁶.
Strata rozptylu
Strata rozptylom je strata, ktorá vyžaruje svetelnú energiu z optického vlákna vo forme rozptylu. Je to spôsobené-nerovnomernou hustotou vlákna. Medzi hlavné typy strát rozptylom v optických vláknach patrí Rayleighov rozptyl, Mieov rozptyl, stimulovaný Brillouinov rozptyl, stimulovaný Ramanov rozptyl, ďalšie štrukturálne defekty a ohybový rozptyl a rozptylový rozptyl.
Počas výroby optického vlákna spôsobuje tepelný pohyb molekúl v roztavenom skle kolísanie hustoty a indexu lomu v jeho štruktúre, čo následne spôsobuje rozptyl svetla. Rozptyl spôsobený časticami oveľa menšími ako vlnová dĺžka svetla sa nazýva Rayleighov rozptyl; rozptyl spôsobený časticami rovnakej vlnovej dĺžky ako svetlo sa nazýva Mieov rozptyl.
Rayleighov rozptyl je primárnou príčinou straty vlákna. Rayleighov rozptyl vykazuje vlastnosť, že je úmerný 1/λ krátkej vlnovej dĺžky, tj R=K/λ. Konštanta úmernosti K súvisí so štruktúrou a zložením skla. Vo všeobecnosti platí, že čím vyššia je teplota skleného prechodu a čím zložitejšie je jeho zloženie, tým väčšia je Rayleighova strata rozptylom.
Rayleighov rozptyl je ovplyvnený intenzitou dopadajúceho svetla. Stimulovaný Brillouin rozptyl a stimulovaný Ramanov rozptyl sa na druhej strane vyskytujú, keď hustota svetelnej energie prekročí určitú vysokú hodnotu a sú produkované interakciou medzi svetlom a médiom.
Dodatočné straty
Dodatočné straty (alebo straty pri aplikácii) sú straty pochádzajúce z externých zdrojov, ako sú straty spôsobené krútením vlákna alebo bočným tlakom počas konštrukcie, inštalácie a prevádzky, čo vedie k makro-ohybu a mikro{1}}ohybu vlákna.
Príčiny straty vlákniny sú zhrnuté na obrázku:
| Kategória | Pod{0}}kategória | Podrobnosti / popis |
|---|---|---|
| Absorpčná strata | Vnútorná absorpcia | • Infračervená absorpcia • Ultrafialová absorpcia |
| Vonkajšia absorpcia | Spôsobené nečistotami ako Fe, Cu, prechodnými kovmi a vibračnou absorpciou OH⁻ | |
| Strata rozptylu | Lineárny rozptyl | |
| - Rayleighov rozptyl | Rozptyl časticami oveľa menšími ako je optická vlnová dĺžka | |
| - Mie sa rozptyľuje | Rozptyl časticami porovnateľnými s veľkosťou optickej vlnovej dĺžky | |
| Nelineárny rozptyl | ||
| - Stimulovaný Brillouinov rozptyl | Vyskytuje sa, keď hustota optického výkonu prekročí dolný prah | |
| - Stimulovaný Ramanov rozptyl | Vyskytuje sa, keď hustota optického výkonu prekročí vyšší prah | |
| Dodatočná strata | - | Strata spôsobená mikroohybom, makroohybom, natiahnutím, stlačením a mechanickou deformáciou |
Disperzné charakteristiky optických vlákien
Vo fyzike sa disperziou rozumie jav, pri ktorom sa svetlo rôznych farieb rozptýli po prechode cez priehľadné médium. Lúč bieleho svetla sa po prechode hranolom rozdelí na sedem-farebný pás. Sklo má totiž rôzne indexy lomu pre rôzne farby (rôzne frekvencie alebo rôzne vlnové dĺžky). Čím dlhšia je vlnová dĺžka (alebo nižšia frekvencia), tým nižší je index lomu skla; čím kratšia je vlnová dĺžka (alebo vyššia frekvencia), tým vyšší je index lomu. Inými slovami, index lomu skla je funkciou frekvencie (alebo vlnovej dĺžky) svetelnej vlny. Keď biele svetlo zložené z rôznych farieb dopadá pod rovnakým uhlom θ, podľa zákona lomu (n=sinθ/n²) budú mať rôzne farby svetla rôzne uhly lomu v dôsledku rôznych hodnôt n², čím sa oddelia rôzne farby svetla, čo vedie k disperzii. Keďže n=c/n (kde c je rýchlosť svetla, c=3 × 10⁻⁶ m/s), je jasné, že rôzne farby svetla sa v skle šíria rôznymi rýchlosťami.
V teórii šírenia optických vlákien sa význam pojmu "disperzia" rozšíril. V optických vláknach sú signály prenášané a prenášané svetelnými vlnami mnohých rôznych režimov alebo frekvencií. Keď signál dosiahne terminál, rôzne režimy alebo frekvencie svetelných vĺn zažívajú rozdiely v oneskorení prenosu, čo spôsobuje skreslenie signálu. Tento jav sa súhrnne nazýva disperzia. V prípade digitálnych signálov disperzia spôsobuje rozšírenie impulzu po šírení určitej vzdialenosti cez vlákno. V závažných prípadoch sa po sebe idúce impulzy budú prekrývať, čím sa vytvorí medzisymbolová interferencia. Preto rozptyl určuje šírku prenosového pásma optického vlákna a obmedzuje prenosovú rýchlosť systému alebo vzdialenosť opakovača. Rozptyl a šírka pásma sú rovnaké charakteristiky optických vlákien opísané z rôznych perspektív.
Na základe príčin disperzie sa disperzia optických vlákien delí hlavne na: modálnu disperziu, materiálovú disperziu, vlnovodnú disperziu a polarizačnú vidovú disperziu, ktoré budú uvedené nižšie.
Režim disperzie
Modálna disperzia všeobecne existuje v multimódových vláknach. Pretože v multimódovom vlákne koexistujú viaceré režimy a rýchlosti skupinového šírenia rôznych režimov pozdĺž osi vlákna sú rôzne, nevyhnutne dorazia na terminál v rôznych časoch, čo vedie k rozdielu v časovom oneskorení a vytváraniu intermodálnej disperzie, čo spôsobuje rozšírenie šírky impulzu. Rozšírenie impulzu v dôsledku modálnej disperzie je znázornené na obrázku 2-10. Pre ideálne jednovidové vlákno, keďže sa prenáša iba jeden režim (základný režim – LP alebo HE režim), neexistuje modálna disperzia, ale existuje polarizačná vidová disperzia.
Teraz odhadneme maximálny modálny rozptyl krokového-indexu multimódového vlákna. Modálna disperzia krokového-indexového multimódového vlákna je znázornená na obrázku 2-11. V multimódovom vlákne s krokovým{7}}indexom sú dva najrýchlejšie a najpomalšie sa šíriace lúče lúč ① šíriaci sa pozdĺž osi a lúč ② dopadajúci pod kritickým uhlom 0 stupňov. Preto maximálny rozptyl vidov v multimódovom vlákne s krokovým indexom je časový rozdiel medzi časom, ktorý potrebuje lúč ② (Tmax) a časom, ktorý lúč ① (Tmin) potrebuje na dosiahnutie terminálu ΔTmux: ΔTmux = Tmax / Tmin
Podľa geometrickej optiky nech sú v optickom vlákne dĺžky L rýchlosti svetelných lúčov ① a ② pozdĺž axiálneho smeru c/n a sinθ·c/n, v tomto poradí. Preto je modálna disperzia optického vlákna...
V slabo vedených optických vláknach (vlákna, kde nia nisa líšia veľmi málo), A=(či- n)/n. Ak Δ=1 %, ni= 1.5 pre optické vlákna z oxidu kremičitého a dĺžka vlákna je 1 km, potom maximálna intermodálna disperzia ΔTmmožno vypočítať ako 50 ns. Preto je zrejmé, že čím väčšia je dĺžka vlákna, tým silnejšia je intermodálna disperzia; a čím väčší je rozdiel relatívneho indexu lomu A, tým závažnejšia je intermodálna disperzia.
Disperzia materiálu
Pretože index lomu materiálov z optických vlákien sa mení s vlnovou dĺžkou svetla, skupinová rýchlosť rôznych frekvencií optického signálu sa líši, čo spôsobuje rozdiel v oneskorení prenosu, jav známy ako disperzia materiálu. Táto disperzia závisí od charakteristík vlnovej dĺžky indexu lomu materiálu optického vlákna a šírky čiary svetelného zdroja.
V digitálnych komunikačných systémoch s optickými vláknami nemá výstupné svetlo zo skutočného svetelného zdroja jednu vlnovú dĺžku, ale má určitú šírku spektrálnej čiary. Pretože index lomu vláknitého materiálu je funkciou vlnovej dĺžky, rýchlosť šírenia svetla v ňom (λ)=c/n(λ) sa tiež mení s vlnovou dĺžkou. Keď svetelný impulz vyžarovaný svetelným zdrojom s určitou šírkou spektrálnej čiary dopadne na vlákno s jedným režimom a šíri sa, svetelné impulzy rôznych vlnových dĺžok budú mať rôzne rýchlosti šírenia, čo vedie k časovému rozdielu, keď dosiahnu výstupný koniec, čo spôsobí rozšírenie impulzu. Toto je mechanizmus rozptylu materiálu.
Ak je známe, že rýchlosť skupiny je u=da/dB, potom skupinové oneskorenie na jednotku dĺžky je T=1/v,=n,/c. Preto je rozptyl materiálu optického vlákna dĺžky L...
Vo vzorci je c rýchlosť svetla vo vákuu; λ je index lomu jadra vlákna; λ je vlnová dĺžka svetla; a Aλ je šírka spektrálnej čiary svetelného zdroja, kde Aλ=λ - λ, predstavuje rozsah vlnových dĺžok so stredom A. Vo všeobecnosti sa na meranie veľkosti disperzie používa disperzný koeficient. Disperzný koeficient D (jednotka: ps/(nm·km)) je definovaný ako...
Je možné vidieť, že disperzný koeficient je disperzia spôsobená zdrojom svetla s jednotkovou šírkou spektrálnej čiary šíriacej sa v jednotkovej dĺžke optického vlákna. Ak je známy disperzný koeficient materiálu optického vlákna, disperziu materiálu možno ľahko vypočítať ako ΔTm=DmAAL.
Príklad 2-1: Predpokladajme, že maximálny koeficient disperzie materiálu optického vlákna pri vlnovej dĺžke 1,31 m je D=3.5ps/(nm·km). Ak sa na generovanie transmisného svetla so šírkou spektrálnej čiary λ=4nm použije polovodičový laser so strednou vlnovou dĺžkou 1,31 µm, vypočítajte disperziu materiálu spôsobenú týmto svetlom šíriacim sa v 1 km dĺžke optického vlákna.
Riešenie: Disperzia materiálu optického vlákna sa dá ľahko vypočítať ako:
Tm = DmLΔA=3.5ps/(nm·km) x 1 km x 4nm=0.014ns=14ps
Ako je vidieť v príklade 2-1, disperzia materiálu je relatívne malá, dokonca menšia ako modálna disperzia viacvidového vlákna so stupňovitým indexom. Treba tiež poznamenať, že disperzný koeficient optického vlákna (nielen materiálový disperzný koeficient) môže byť kladný alebo záporný. V optickom vlákne sa skupinové oneskorenie (A) zvyšuje s nosnou vlnovou dĺžkou; inými slovami, svetelné vlny s kratšou vlnovou dĺžkou sa šíria rýchlejšie. V tomto prípade je disperzný koeficient záporný, nazývaný negatívna disperzia; naopak, svetelné vlny s dlhšou vlnovou dĺžkou sa šíria pomalšie ako svetelné vlny s kratšou vlnovou dĺžkou.
Tu je disperzný koeficient kladný, nazývaný kladná disperzia. Je jasné, že ak sa spoja dve optické vlákna s opačnými znakmi disperzného koeficientu, disperzia materiálu sa zlepší.
vlnovodná disperzia
Disperzia vlnovodu ΔTw označuje špecifický riadený mód v optickom vlákne. Rôzne vlnové dĺžky majú rôzne fázové konštanty, čo vedie k rôznym skupinovým rýchlostiam a tým k disperzii. Disperzia vlnovodu tiež súvisí s rôznymi faktormi, ako sú štrukturálne parametre optického vlákna a rozdiel relatívneho indexu lomu medzi jadrom a plášťom; preto sa nazýva aj štrukturálna disperzia.
Polarizačná vidová disperzia
Polarizačná vidová disperzia je typ disperzie jedinečný pre jedno{0}}vidové optické vlákna. Pretože vlákna s jedným-vidom v skutočnosti prenášajú dva navzájom ortogonálne polarizačné režimy, ich elektrické polia sú polarizované v smere x a y.
Šírka pásma optických vlákien
Disperzia a šírka pásma optických vlákien opisujú rovnakú charakteristiku. V skutočnosti disperzia opisuje rozsah, v akom sa svetelný impulz rozširuje pozdĺž časovej osi po prenose; je to popis charakteristík vlákna v časovej oblasti. Na druhej strane šírka pásma popisuje túto charakteristiku vo frekvenčnej oblasti. Vo frekvenčnej oblasti možno pre modulačný signál optické vlákno považovať za dolnopriepustný filter. Keď cez ňu prechádzajú vysokofrekvenčné zložky modulačného signálu, sú výrazne zoslabené. To znamená, že ak amplitúda vstupného signálu (modulačného signálu) zostáva konštantná, ale mení sa iba frekvencia, amplitúda výstupného signálu po prenose cez vlákno sa bude meniť s frekvenciou modulačného signálu (vstupného signálu). TTU-T odporúča špecifikovať, že šírka pásma optického vlákna je [šírka pásma na kilometer].
