Charakteristika optických vláken

Pooptické signály cestujív určité vzdálenosti přes optické vlákno dochází k jejich zeslabení a zkreslení, což způsobí, že se vstupní a výstupní optické signálové impulsy liší. To se projevuje jako amplitudový útlum a rozšíření tvaru vlny optických pulzů. Příčinou tohoto jevu je přítomnost ztráty a disperze v optickém vláknu. Ztráta a rozptyl jsou nejdůležitější parametry popisující přenosové charakteristiky optických vláken, omezující přenosovou vzdálenost a kapacitu systému. Tato část pojednává především o mechanismech a charakteristikách ztráty a disperze optických vláken.

★Charakteristika optických vláken (část 2)

Ztrátové charakteristiky optického vlákna

Ztráta optického vlákna vede k útlumu signálu, proto se ztráta optického vlákna také nazývá útlum. Jak se vzdálenost v optickém vlákně zvětšuje, intenzita světelného signálu klesá následovně: P(z)=P(0) /10 - (4) kde P(z) je optický výkon na přenosové vzdálenosti z; P(0) je optický příkon do optického vlákna, tj. optický výkon vstřikovaný v z=0; (λ) je koeficient útlumu optického vlákna při vlnové délce v dB/km; a L je přenosová vzdálenost.

Když t=L, koeficient útlumu vlákna je definován jako

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

Když je pracovní vlnová délka λ dB, pokud je koeficient útlumu měřen v jednotkách dB na kilometr, pak A(λ) (jednotka je dB) je vyjádřena jako:

A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]

Komunikace s optickými vlákny se vyvíjela spolu s neustálým zlepšováním výroby optických vláken, konkrétně snižováním ztrát vláken. Ztráta vlákna je jedním z hlavních faktorů určujících vzdálenost relé v komunikačním systému s optickým vláknem. Ke ztrátě vlákniny přispívá mnoho faktorů, především ztráta absorpcí, ztráta rozptylem a další ztráta, a mechanismy, které jsou základem těchto ztrát, jsou poměrně složité. Následující diskuse používá optické vlákno z oxidu křemičitého jako příklad pro ilustraci různých příčin ztrát.

Absorpční ztráta

Absorpční ztráta zahrnuje především vlastní absorpci, absorpci nečistot (OH radikály) a absorpci strukturálních defektů. Vnitřní absorpce zahrnuje infračervenou a ultrafialovou absorpci.

Infračervená absorpce je absorpce světelné energie způsobená molekulární rezonancí, když světlo prochází křemenným sklem složeným z SiO2. Například absorpční píky Si-O jsou 9,1 μm, 12,5 μm a 21,3 μm a ztráta absorpcí optického vlákna je až 10 dB/km při 9,1 μm. Absorpce ultrafialového záření je energie absorbovaná při excitaci elektronů k přechodu na vyšší energetické hladiny světelnými vlnami. K této absorpci dochází v ultrafialové oblasti, a proto se obvykle nazývá ultrafialová absorpce. Skleněné materiály obsahují ionty přechodných kovů, jako je železo a měď, a také ionty OH-. Absorpce nečistot je ztráta způsobená absorpcí světelné energie elektronovými kroky generovanými vibracemi iontů při buzení světelnými vlnami. Například při 1,39 μm je útlum 60 dB/km, když je koncentrace OH- iontů 1 × 10⁻⁶.

Ztráta rozptylem

Ztráta rozptylem je ztráta, která vyzařuje světelnou energii z optického vlákna ve formě rozptylu. Je to způsobeno-nestejnoměrnou hustotou vlákna. Mezi hlavní typy ztrát rozptylem v optických vláknech patří Rayleighův rozptyl, Mieův rozptyl, stimulovaný Brillouinův rozptyl, stimulovaný Ramanův rozptyl, další strukturální defekty a ohybový rozptyl a rozptylový rozptyl.

Během výroby optického vlákna způsobuje tepelný pohyb molekul v roztaveném skle kolísání hustoty a indexu lomu v jeho struktuře, což zase způsobuje rozptyl světla. Rozptyl způsobený částicemi mnohem menšími, než je vlnová délka světla, se nazývá Rayleighův rozptyl; rozptyl způsobený částicemi o stejné vlnové délce jako světlo se nazývá Mieův rozptyl.

Rayleighův rozptyl je primární příčinou ztráty vláken. Rayleighův rozptyl vykazuje vlastnost, že je úměrný 1/λ krátké vlnové délky, tj. R=K/λ. Konstanta úměrnosti K souvisí se strukturou a složením skla. Obecně platí, že čím vyšší je teplota skelného přechodu a čím složitější je jeho složení, tím větší je ztráta Rayleighovým rozptylem.

Rayleighův rozptyl je ovlivněn intenzitou dopadajícího světla. Na druhé straně stimulovaný Brillouinův rozptyl a stimulovaný Ramanův rozptyl nastávají, když hustota světelné energie překročí určitou vysokou hodnotu a jsou vytvářeny interakcí mezi světlem a prostředím.

Dodatečné ztráty

Dodatečné ztráty (nebo aplikační ztráty) jsou ztráty pocházející z vnějších zdrojů, jako jsou ztráty způsobené kroucením vláken nebo bočním tlakem během konstrukce, instalace a provozu, což vede k makro-ohnutí a mikro{1}}ohnutí vlákna.

Příčiny ztráty vlákniny jsou shrnuty na obrázku:

Disperzní charakteristiky optických vláken

Ve fyzice se disperze týká jevu, kdy se světlo různých barev rozptýlí po průchodu průhledným prostředím. Paprsek bílého světla se po průchodu hranolem rozdělí do sedmi-barevného pásu. Sklo má totiž různé indexy lomu pro různé barvy (různé frekvence nebo různé vlnové délky). Čím delší je vlnová délka (nebo čím nižší frekvence), tím nižší je index lomu skla; čím kratší je vlnová délka (nebo čím vyšší frekvence), tím vyšší je index lomu. Jinými slovy, index lomu skla je funkcí frekvence (nebo vlnové délky) světelné vlny. Když bílé světlo složené z různých barev dopadá pod stejným úhlem θ, podle zákona lomu (n=sinθ/n²) budou mít různé barvy světla různé úhly lomu kvůli různým hodnotám n², čímž se oddělí různé barvy světla, což vede k disperzi. Protože n=c/n (kde c je rychlost světla, c=3 × 10⁻⁶ m/s), je jasné, že různé barvy světla se ve skle pohybují různými rychlostmi.

V teorii šíření optických vláken byl význam termínu "disperze" rozšířen. V optických vláknech jsou signály přenášeny a přenášeny světelnými vlnami mnoha různých režimů nebo frekvencí. Když signál dosáhne terminálu, různé režimy nebo frekvence světelných vln vykazují rozdíly ve zpoždění přenosu, což způsobuje zkreslení signálu. Tento jev se souhrnně nazývá disperze. U digitálních signálů způsobuje disperze rozšíření pulzu po šíření na určitou vzdálenost vláknem. V závažných případech se po sobě jdoucí pulsy překrývají a vytvářejí mezisymbolovou interferenci. Rozptyl tedy určuje šířku přenosového pásma optického vlákna a omezuje přenosovou rychlost systému nebo vzdálenost opakovače. Rozptyl a šířka pásma jsou stejné charakteristiky optických vláken popsané z různých perspektiv.

Na základě příčin disperze se disperze optických vláken dělí především na: modální disperzi, materiálovou disperzi, vlnovodnou disperzi a polarizační vidovou disperzi, které budou představeny níže.

Režimová disperze

Modální disperze obecně existuje ve vícevidových vláknech. Protože ve vícevidovém vláknu koexistuje více režimů a rychlosti skupinového šíření různých režimů podél osy vlákna jsou různé, nevyhnutelně dorazí na terminál v různých časech, což má za následek rozdíl v časovém zpoždění a tvoří intermodální disperzi, což způsobí rozšíření šířky pulzu. Rozšíření pulzu v důsledku modální disperze je znázorněno na obrázku 2-10. Pro ideální jednovidové vlákno, protože je přenášen pouze jeden mód (základní mód - LP nebo HE mód), neexistuje modální disperze, ale existuje polarizační vidová disperze.

Nyní odhadneme maximální modální rozptyl krokového-indexu vícevidového vlákna. Modální disperze krokového-indexového vícevidového vlákna je znázorněna na obrázku 2-11. Ve vícevidovém vláknu s krokovým{7}}indexem jsou dva nejrychleji a nejpomaleji se šířící paprsky paprsek ① šířící se podél osy a paprsek ② dopadající pod kritickým úhlem 0 stupňů. Maximální vidová disperze ve vícevidovém vláknu s krokovým indexem je tedy časový rozdíl mezi časem, který paprsku ② (Tmax) zabere, a časem, který paprsku ① (Tmin) zabere k dosažení terminálu, ΔT_mux: ΔT_mux = T_max / T_min

Podle geometrické optiky nechť v optickém vláknu délky L rychlosti světelných paprsků ① a ② v osovém směru jsou c/n a sinθ·c/n, v tomto pořadí. Proto je modální disperze optického vlákna...

Ve slabě vedených optických vláknech (vlákna, kde n_ia n_ise liší velmi málo), A=(č_i- n)/n. Pokud Δ=1 %, n_i= 1.5 pro optická vlákna z oxidu křemičitého a délka vlákna je 1 km, pak maximální intermodální disperze ΔT_mlze vypočítat jako 50 ns. Je tedy zřejmé, že čím delší je délka vlákna, tím závažnější je intermodální disperze; a čím větší je rozdíl relativního indexu lomu A, tím závažnější je intermodální disperze.

Disperze materiálu

Protože se index lomu materiálů z optických vláken mění s vlnovou délkou světla, liší se skupinová rychlost různých frekvencí optického signálu, což způsobuje rozdíl ve zpoždění přenosu, jev známý jako disperze materiálu. Tato disperze závisí na charakteristikách vlnové délky indexu lomu materiálu optického vlákna a šířce čáry světelného zdroje.

V digitálních komunikačních systémech s optickými vlákny nemá výstupní světlo ze skutečného světelného zdroje jedinou vlnovou délku, ale má určitou spektrální šířku čáry. Protože index lomu vláknitého materiálu je funkcí vlnové délky, rychlost šíření světla v něm (λ)=c/n(λ) se také mění s vlnovou délkou. Když světelný puls emitovaný světelným zdrojem s určitou šířkou spektrální čáry dopadá na vlákno s jedním -režimem a šíří se, světelné pulsy různých vlnových délek budou mít různé rychlosti šíření, což vede k časovému rozdílu, když dosáhnou výstupního konce, což způsobí rozšíření pulsu. To je mechanismus rozptylu materiálu.

Pokud je známo, že skupinová rychlost je u=da/dB, pak skupinové zpoždění na jednotku délky je T=1/v,=n,/c. Materiálová disperze optického vlákna délky L je tedy...

Ve vzorci je c rychlost světla ve vakuu; λ je index lomu jádra vlákna; λ je vlnová délka světla; a Aλ je šířka spektrální čáry světelného zdroje, kde Aλ=λ - λ, představuje rozsah vlnových délek se středem v A. Obecně se disperzní koeficient používá k měření velikosti disperze. Disperzní koeficient D (jednotka: ps/(nm·km)) je definován jako...

Je vidět, že disperzní koeficient je disperze způsobená světelným zdrojem s jednotkovou šířkou spektrální čáry šířící se v jednotkové délce optického vlákna. Pokud je znám disperzní koeficient materiálu optického vlákna, lze disperzi materiálu snadno vypočítat jako ΔTm=DmAAL.

Příklad 2-1: Předpokládejme, že maximální koeficient disperze materiálu optického vlákna při vlnové délce 1,31 m je D=3.5ps/(nm·km). Pokud je pro generování transmisního světla o šířce spektrální čáry λ=4nm použit polovodičový laser se střední vlnovou délkou 1,31 µm, vypočítejte rozptyl materiálu způsobený tímto světlem šířícím se v 1 km optického vlákna.

Řešení: Rozptyl materiálu optického vlákna lze snadno vypočítat jako:

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

Jak je vidět v příkladu 2-1, disperze materiálu je relativně malá, dokonce menší než modální disperze vícevidového vlákna se stupňovitým indexem. Je třeba také poznamenat, že disperzní koeficient optického vlákna (nikoli pouze materiálový disperzní koeficient) může být kladný nebo záporný. U optického vlákna se skupinové zpoždění (A) zvyšuje s nosnou vlnovou délkou; jinými slovy, kratší vlnové délky se šíří rychleji. V tomto případě je koeficient disperze záporný, nazývá se záporná disperze; naopak, delší vlnové délky se šíří pomaleji než kratší vlnové délky.

Zde je koeficient disperze kladný, nazývá se kladná disperze. Je zřejmé, že pokud jsou dvě optická vlákna s opačnými znaménky disperzního koeficientu spojena dohromady, disperze materiálu se zlepší.

vlnovodná disperze

Vlnovodná disperze ΔTw označuje specifický řízený mód v optickém vláknu. Různé vlnové délky mají různé fázové konstanty, což má za následek různé skupinové rychlosti a tím i rozptyl. Disperze vlnovodu také souvisí s různými faktory, jako jsou strukturální parametry optického vlákna a rozdíl relativního indexu lomu mezi jádrem a pláštěm; proto se také nazývá strukturní disperze.

Polarizační vidová disperze

Polarizační vidová disperze je typ disperze jedinečný pro optická vlákna s jedním-videem. Protože vlákna s jedním-videm ve skutečnosti přenášejí dva vzájemně ortogonální polarizační režimy, jejich elektrická pole jsou polarizována ve směru x a y.

Šířka pásma optických vláken

Rozptyl a šířka pásma optických vláken popisují stejnou charakteristiku. Ve skutečnosti disperze popisuje rozsah, ve kterém se světelný puls rozšiřuje podél časové osy po přenosu; je to popis vlastností vlákna v časové oblasti. Na druhé straně šířka pásma popisuje tuto charakteristiku ve frekvenční oblasti. Ve frekvenční doméně lze pro modulační signál považovat optické vlákno za dolní-propust. Když jím procházejí vysokofrekvenční složky modulačního signálu, jsou silně utlumeny. To znamená, že pokud amplituda vstupního signálu (modulačního signálu) zůstane konstantní, ale změní se pouze frekvence, bude se amplituda výstupního signálu po přenosu vláknem měnit s frekvencí modulačního signálu (vstupního signálu). TTU-T doporučuje určit, že šířka pásma optického vlákna je [šířka pásma na kilometr].