Optisko šķiedru raksturojums

Pēcoptiskie signāli pārvietojasnoteiktā attālumā caur optisko šķiedru tie tiek vājināti un izkropļoti, izraisot ieejas un izejas optiskā signāla impulsu atšķirību. Tas izpaužas kā optisko impulsu amplitūdas vājināšanās un viļņu formas paplašināšanās. Šīs parādības cēlonis ir zudumi un izkliede optiskajā šķiedrā. Zudumi un izkliede ir vissvarīgākie parametri, kas raksturo optisko šķiedru pārraides raksturlielumus, ierobežojot pārraides attālumu un sistēmas jaudu. Šajā sadaļā galvenokārt aplūkoti optisko šķiedru zudumu un izkliedes mehānismi un īpašības.

★Optisko šķiedru raksturojums (2. daļa)

Optiskās šķiedras zuduma raksturlielumi

Optiskās šķiedras zudums izraisa signāla vājināšanos, tāpēc optisko šķiedru zudumu sauc arī par vājināšanos. Palielinoties attālumam optiskajā šķiedrā, gaismas signāla intensitāte samazinās šādi: P(z)=P(0) /10 - (4) kur P(z) ir optiskā jauda pārraides attālumā z; P(0) ir optiskā jauda, ​​kas ievadīta optiskajā šķiedrā, ti, optiskā jauda, ​​kas ievadīta pie z=0; (λ) ir optiskās šķiedras vājinājuma koeficients pie viļņa garuma dB/km; un L ir pārraides attālums.

Ja t=L, šķiedras vājinājuma koeficients tiek definēts kā

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

Ja darba viļņa garums λ ir dB, ja vājinājuma koeficientu mēra dB vienībās uz kilometru, tad A(λ) (vienība ir dB) izsaka šādi:

A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]

Optisko šķiedru sakari ir attīstījušies līdztekus nepārtrauktiem optisko šķiedru ražošanas uzlabojumiem, īpaši šķiedru zudumu samazināšanai. Šķiedru zudums ir viens no galvenajiem faktoriem, kas nosaka releja attālumu optiskās šķiedras sakaru sistēmā. Šķiedru zudumu veicina daudzi faktori, galvenokārt absorbcijas zudumi, izkliedes zudumi un papildu zudumi, un šo zudumu pamatā esošie mehānismi ir diezgan sarežģīti. Nākamajā diskusijā kā piemērs ir izmantota silīcija dioksīda optiskā šķiedra, lai ilustrētu dažādus zaudējumu cēloņus.

Absorbcijas zudums

Absorbcijas zudumi galvenokārt ietver iekšējo absorbciju, piemaisījumu absorbciju (OH radikāļi) un strukturālo defektu absorbciju. Iekšējā absorbcija ietver infrasarkano un ultravioleto staru absorbciju.

Infrasarkanā absorbcija ir gaismas enerģijas absorbcija, ko izraisa molekulārā rezonanse, kad gaisma iet caur kvarca stiklu, kas sastāv no SiO2. Piemēram, Si-O absorbcijas maksimumi ir pie 9,1 μm, 12,5 μm un 21,3 μm, un optiskās šķiedras absorbcijas zudums ir līdz 10 dB/km pie 9,1 μm. Ultravioleto staru absorbcija ir enerģija, kas tiek absorbēta, kad elektroni tiek ierosināti, lai gaismas viļņi pārietu uz augstāku enerģijas līmeni. Šī absorbcija notiek ultravioletajā reģionā, un tāpēc to parasti sauc par ultravioleto absorbciju. Stikla materiāli satur pārejas metālu jonus, piemēram, dzelzi un varu, kā arī OH- jonus. Piemaisījumu absorbcija ir zudums, ko rada gaismas enerģijas absorbcija ar elektronu soļiem, ko rada jonu vibrācijas gaismas viļņu ierosmes laikā. Piemēram, pie 1,39 μm vājināšanās ir 60 dB/km, ja OH- jonu koncentrācija ir 1 × 10⁻⁶.

Izkliedes zudums

Izkliedes zudumi ir zudumi, kas izstaro gaismas enerģiju no optiskās šķiedras izkliedes veidā. To izraisa nevienmērīgais šķiedras blīvums. Galvenie optisko šķiedru izkliedes zudumu veidi ietver Rayleigh izkliedi, Mie izkliedi, stimulētu Brillouin izkliedi, stimulētu Ramana izkliedi, papildu struktūras defektus un lieces izkliedi, kā arī noplūdes izkliedi.

Optisko šķiedru ražošanas laikā molekulu termiskā kustība izkausētajā stiklā izraisa blīvuma un refrakcijas indeksa svārstības tā struktūrā, kas savukārt izraisa gaismas izkliedi. Izkliedi, ko izraisa daļiņas, kas ir daudz mazākas par gaismas viļņa garumu, sauc par Reilija izkliedi; izkliedi, ko izraisa daļiņas ar tādu pašu viļņa garumu ar gaismu, sauc par Mie izkliedi.

Rayleigh izkliede ir galvenais šķiedru zuduma cēlonis. Raila izkliedei piemīt īpašība būt proporcionālai 1/λ no īsā viļņa garuma, ti, R=K/λ. Proporcionalitātes konstante K ir saistīta ar stikla struktūru un sastāvu. Parasti, jo augstāka ir stiklošanās temperatūra un sarežģītāks tās sastāvs, jo lielāki ir Reilija izkliedes zudumi.

Rayleigh izkliedi ietekmē krītošās gaismas intensitāte. No otras puses, stimulētā Briljuina izkliede un stimulētā Ramana izkliede rodas, ja gaismas enerģijas blīvums pārsniedz noteiktu augstu vērtību, un to rada gaismas un vides mijiedarbība.

Papildu zaudējumi

Papildu zudumi (vai pielietojuma zudumi) ir zaudējumi no ārējiem avotiem, piemēram, tie, ko rada šķiedras savīšana vai sānu spiediens būvniecības, uzstādīšanas un ekspluatācijas laikā, kā rezultātā šķiedras makro{0}}liekas un mikro{1}}izliekas.

Šķiedru zuduma cēloņi ir apkopoti attēlā:

Optisko šķiedru dispersijas raksturlielumi

Fizikā dispersija attiecas uz parādību, kad dažādu krāsu gaisma tiek izkliedēta pēc tam, kad tā iziet cauri caurspīdīgai videi. Baltās gaismas stars pēc tam, kad tas iziet cauri prizmai, tiek sadalīts septiņu krāsu joslā. Tas ir tāpēc, ka stiklam ir dažādi refrakcijas rādītāji dažādām krāsām (dažādas frekvences vai dažādi viļņu garumi). Jo garāks ir viļņa garums (vai zemāka frekvence), jo mazāks ir stikla laušanas koeficients; jo īsāks viļņa garums (vai augstāka frekvence), jo augstāks ir laušanas koeficients. Citiem vārdiem sakot, stikla refrakcijas indekss ir gaismas viļņa frekvences (vai viļņa garuma) funkcija. Ja baltā gaisma, kas sastāv no dažādām krāsām, krīt vienā leņķī θ, saskaņā ar refrakcijas likumu (n=sinθ/n²), dažādām gaismas krāsām būs dažādi laušanas leņķi atšķirīgo n² vērtību dēļ, tādējādi atdalot dažādas gaismas krāsas, kā rezultātā rodas dispersija. Tā kā n=c/n (kur c ir gaismas ātrums, c=3 × 10⁻⁶ m/s), ir skaidrs, ka dažādas gaismas krāsas stiklā pārvietojas ar dažādu ātrumu.

Optisko šķiedru izplatīšanās teorijā termina "dispersija" nozīme ir paplašināta. Optiskajās šķiedrās signālus pārnēsā un pārraida dažādu režīmu vai frekvenču gaismas viļņi. Kad signāls sasniedz termināli, dažādos gaismas viļņu režīmos vai frekvencēs rodas pārraides aizkaves atšķirības, izraisot signāla kropļojumus. Šo parādību kopā sauc par dispersiju. Digitālajiem signāliem dispersija izraisa impulsa paplašināšanos pēc noteikta attāluma izplatīšanās caur šķiedru. Smagos gadījumos secīgi impulsi pārklājas, veidojot starpsimbolu traucējumus. Tāpēc dispersija nosaka optiskās šķiedras pārraides joslas platumu un ierobežo sistēmas pārraides ātrumu vai atkārtotāja attālumu. Izkliede un joslas platums ir vienādas optisko šķiedru īpašības, kas aprakstītas no dažādām perspektīvām.

Pamatojoties uz dispersijas cēloņiem, optisko šķiedru izkliedi galvenokārt iedala: modālā dispersija, materiāla dispersija, viļņvada dispersija un polarizācijas režīma dispersija, kas tiks iepazīstināta turpmāk.

Režīmu dispersija

Modālā dispersija parasti pastāv daudzmodu šķiedrās. Tā kā daudzmodu šķiedrā līdzās pastāv vairāki režīmi un dažādu režīmu grupu izplatīšanās ātrumi pa šķiedras asi ir atšķirīgi, tie neizbēgami nonāks terminālī dažādos laikos, kā rezultātā rodas laika aizkaves atšķirība un veidojas intermodāla izkliede, tādējādi izraisot impulsa platuma paplašināšanos. Pulsa paplašināšanās modālās izkliedes dēļ parādīta 2-10. attēlā. Ideālai vienmoda šķiedrai, jo tiek pārraidīts tikai viens režīms (pamatrežīms - LP vai HE režīms), modālās dispersijas nav, taču pastāv polarizācijas režīma dispersija.

Tagad mēs novērtējam pakāpi{0}}indeksa daudzmodu šķiedras maksimālo modālo izkliedi. Pakāpju-indeksa daudzmodu šķiedras modālā izkliede ir parādīta 2-11. attēlā. Soli{7}}indeksa daudzmodu šķiedrā divi visātrāk un lēnāk izplatās stari attiecīgi stars ①, kas izplatās pa asi, un stars ②, kas krīt 0 grādu kritiskā leņķī. Tāpēc maksimālā režīma izkliede pakāpeniskā indeksa daudzmodu šķiedrā ir laika starpība starp laiku, kas nepieciešams staram ② (Tmax) un laiku, kas nepieciešams staram ① (Tmin), lai sasniegtu termināli, ΔT._mux: ΔT_mux = T_maks / T_min

Saskaņā ar ģeometrisko optiku optiskajā šķiedrā ar garumu L pieņemsim, ka gaismas staru ① un ② ātrumi pa aksiālo virzienu ir attiecīgi c/n un sinθ·c/n. Tāpēc optiskās šķiedras modālā izkliede ir...

Vāji vadītajās optiskajās šķiedrās (šķiedrās, kur n_iun n_iatšķiras ļoti maz), A=(n_i- n)/n. Ja Δ=1%, n_i= 1.5 silīcija dioksīda optiskajām šķiedrām, un šķiedras garums ir 1 km, tad maksimālā intermodālā izkliede ΔT_mvar aprēķināt kā 50 ns. Tāpēc ir skaidrs, ka jo garāks ir šķiedras garums, jo spēcīgāka ir intermodālā izkliede; un jo lielāka ir relatīvā refrakcijas indeksa atšķirība Δ, jo spēcīgāka ir intermodālā izkliede.

Materiāla dispersija

Tā kā optisko šķiedru materiālu refrakcijas indekss mainās atkarībā no gaismas viļņa garuma, dažādu optiskā signāla frekvenču grupas ātrums atšķiras, izraisot pārraides aiztures atšķirību, kas pazīstama kā materiāla dispersija. Šī dispersija ir atkarīga no optiskās šķiedras materiāla refrakcijas indeksa viļņa garuma raksturlielumiem un gaismas avota līnijas platuma.

Digitālās optiskās šķiedras sakaru sistēmās faktiskā gaismas avota izejas gaisma nav viena viļņa garums, bet tai ir noteikts spektrālais līnijas platums. Tā kā šķiedras materiāla refrakcijas indekss ir viļņa garuma funkcija, gaismas izplatīšanās ātrums tajā (λ)=c/n(λ) arī mainās atkarībā no viļņa garuma. Ja gaismas avota izstarotais gaismas impulss ar noteiktu spektra līnijas platumu krīt uz viena -režīma šķiedru un izplatās, dažādu viļņu garumu gaismas impulsiem būs atšķirīgs izplatīšanās ātrums, kā rezultātā rodas laika aizkaves atšķirība, kad tie sasniedz izvades galu, tādējādi izraisot impulsa paplašināšanos. Tas ir materiāla izkliedes mehānisms.

Ja zināms, ka grupas ātrums ir u=da/dB, tad grupas aizkave uz garuma vienību ir T=1/v,=n,/c. Tāpēc L garuma optiskās šķiedras materiāla dispersija ir...

Formulā c ir gaismas ātrums vakuumā; λ ir šķiedras kodola refrakcijas koeficients; λ ir gaismas viļņa garums; un Aλ ir gaismas avota spektrālais līnijas platums, kur Aλ=λ - λ, kas apzīmē viļņu garuma diapazonu, kura centrs ir A. Parasti dispersijas koeficientu izmanto, lai mērītu dispersijas lielumu. Izkliedes koeficients D (vienība: ps/(nm·km)) ir definēts kā...

Redzams, ka dispersijas koeficients ir dispersija, ko rada gaismas avots ar spektrālā līnijas platuma vienību, kas izplatās optiskās šķiedras garuma vienībā. Ja ir zināms optiskās šķiedras materiāla dispersijas koeficients, materiāla izkliedi var viegli aprēķināt kā ΔTm=DmAAL.

Piemērs 2-1: Pieņemsim, ka optiskās šķiedras maksimālais materiāla dispersijas koeficients pie viļņa garuma 1,31 m ir D=3.5ps/(nm·km). Ja pusvadītāju lāzeru ar centra viļņa garumu 1,31 µm izmanto, lai ģenerētu pārraides gaismu ar spektrālo līnijas platumu λ=4 nm, aprēķiniet materiāla izkliedi, ko izraisa šī gaismas izplatīšanās 1 km garumā optiskās šķiedras garumā.

Risinājums: optiskās šķiedras materiāla izkliedi var viegli aprēķināt šādi:

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

Kā redzams 2. piemērā-1, materiāla izkliede ir salīdzinoši maza, pat mazāka nekā pakāpeniskā indeksa daudzmodu šķiedras modālā izkliede. Jāņem vērā arī tas, ka optiskās šķiedras dispersijas koeficients (ne tikai materiāla dispersijas koeficients) var būt pozitīvs vai negatīvs. Optiskajā šķiedrā grupas aizkave (A) palielinās līdz ar nesēja viļņa garumu; citiem vārdiem sakot, īsāka viļņa garuma gaismas viļņi izplatās ātrāk. Šajā gadījumā dispersijas koeficients ir negatīvs, ko sauc par negatīvo dispersiju; otrādi, garāka viļņa garuma gaismas viļņi izplatās lēnāk nekā īsāka viļņa garuma gaismas viļņi.

Šeit dispersijas koeficients ir pozitīvs, ko sauc par pozitīvu dispersiju. Skaidrs, ka, ja tiek sapludinātas divas optiskās šķiedras ar pretējām dispersijas koeficienta zīmēm, materiāla izkliede tiks uzlabota.

viļņvada dispersija

Viļņvada dispersija ΔTw attiecas uz īpašu vadītu režīmu optiskajā šķiedrā. Dažādiem viļņu garumiem ir dažādas fāzes konstantes, kā rezultātā rodas dažādi grupas ātrumi un līdz ar to arī dispersija. Viļņvada dispersija ir saistīta arī ar dažādiem faktoriem, piemēram, optiskās šķiedras strukturālajiem parametriem un relatīvo refrakcijas indeksa starpību starp serdi un apšuvumu; tāpēc to sauc arī par strukturālo dispersiju.

Polarizācijas režīma dispersija

Polarizācijas režīma dispersija ir dispersijas veids, kas ir unikāls viena -moda optiskajām šķiedrām. Tā kā viena -moda šķiedras faktiski pārraida divus savstarpēji ortogonālus polarizācijas režīmus, to elektriskie lauki ir polarizēti attiecīgi x un y virzienā.

Optiskās šķiedras joslas platums

Optisko šķiedru izkliede un joslas platums raksturo to pašu raksturlielumu. Faktiski izkliede raksturo pakāpi, kādā gaismas impulss pēc pārraides paplašinās gar laika asi; tas ir šķiedras īpašību apraksts laika jomā. No otras puses, joslas platums apraksta šo īpašību frekvenču domēnā. Frekvenču domēnā modulējošam signālam optisko šķiedru var uzskatīt par zemas caurlaidības filtru. Kad modulējošā signāla augstfrekvences komponenti iziet cauri tam, tie tiek nopietni novājināti. Tas ir, ja ieejas signāla (modulējošā signāla) amplitūda paliek nemainīga, bet mainās tikai frekvence, izejas signāla amplitūda pēc pārraides caur šķiedru mainīsies līdz ar modulējošā signāla (ieejas signāla) frekvenci. TTU-T iesaka norādīt, ka optiskās šķiedras joslas platums ir [joslas platums uz kilometru].