Χαρακτηριστικά οπτικών ινών

ΜετάΤα οπτικά σήματα ταξιδεύουνσε μια ορισμένη απόσταση μέσω της οπτικής ίνας, υφίστανται εξασθένηση και παραμόρφωση, με αποτέλεσμα οι παλμοί του οπτικού σήματος εισόδου και εξόδου να διαφέρουν. Αυτό εκδηλώνεται ως εξασθένηση του πλάτους και διεύρυνση της κυματομορφής των οπτικών παλμών. Η αιτία αυτού του φαινομένου είναι η παρουσία απώλειας και διασποράς εντός της οπτικής ίνας. Η απώλεια και η διασπορά είναι οι πιο σημαντικές παράμετροι που περιγράφουν τα χαρακτηριστικά μετάδοσης των οπτικών ινών, περιορίζοντας την απόσταση μετάδοσης και τη χωρητικότητα του συστήματος. Αυτή η ενότητα συζητά κυρίως τους μηχανισμούς και τα χαρακτηριστικά της απώλειας και της διασποράς οπτικών ινών.

★Χαρακτηριστικά των οπτικών ινών (μέρος 2)

Χαρακτηριστικά απώλειας οπτικής ίνας

Η απώλεια οπτικών ινών οδηγεί σε εξασθένηση του σήματος, επομένως η απώλεια οπτικών ινών ονομάζεται επίσης εξασθένηση. Καθώς η απόσταση αυξάνεται στην οπτική ίνα, η ένταση του φωτεινού σήματος μειώνεται, ως εξής: P(z)=P(0) /10 - (4) όπου P(z) είναι η οπτική ισχύς στην απόσταση μετάδοσης z. Το P(0) είναι η οπτική ισχύς που εισάγεται στην οπτική ίνα, δηλαδή η οπτική ισχύς που εγχέεται στο z=0. (λ) είναι ο συντελεστής εξασθένησης της οπτικής ίνας σε μήκος κύματος σε dB/km. και L είναι η απόσταση μετάδοσης.

Όταν t=L, ο συντελεστής εξασθένησης της ίνας ορίζεται ως

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

Όταν το μήκος κύματος εργασίας λ είναι dB, αν ο συντελεστής εξασθένησης μετρηθεί σε μονάδες dB ανά χιλιόμετρο, τότε το A(λ) (η μονάδα είναι dB) εκφράζεται ως:

A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]

Η επικοινωνία οπτικών ινών αναπτύχθηκε παράλληλα με τις συνεχείς βελτιώσεις στην κατασκευή οπτικών ινών, ειδικά τη μείωση της απώλειας ινών. Η απώλεια ινών είναι ένας από τους κύριους παράγοντες που καθορίζουν την απόσταση ρελέ σε ένα σύστημα επικοινωνίας οπτικών ινών. Πολλοί παράγοντες συμβάλλουν στην απώλεια ινών, κυρίως απώλεια απορρόφησης, απώλεια σκέδασης και πρόσθετη απώλεια, και οι μηχανισμοί που διέπουν αυτές τις απώλειες είναι αρκετά περίπλοκοι. Η ακόλουθη συζήτηση χρησιμοποιεί την οπτική ίνα πυριτίου ως παράδειγμα για να επεξηγήσει τις διάφορες αιτίες απώλειας.

Απώλεια απορρόφησης

Η απώλεια απορρόφησης περιλαμβάνει κυρίως την εγγενή απορρόφηση, την απορρόφηση ακαθαρσιών (ρίζες ΟΗ) και την απορρόφηση δομικών ελαττωμάτων. Η ενδογενής απορρόφηση περιλαμβάνει την απορρόφηση υπερύθρων και υπεριώδους ακτινοβολίας.

Η απορρόφηση υπερύθρων είναι η απορρόφηση της φωτεινής ενέργειας που προκαλείται από τον μοριακό συντονισμό όταν το φως διέρχεται από γυαλί χαλαζία που αποτελείται από SiO2. Για παράδειγμα, οι κορυφές απορρόφησης του Si-O είναι στα 9,1 μm, 12,5 μm και 21,3 μm και η απώλεια απορρόφησης της οπτικής ίνας είναι τόσο υψηλή όσο 10 dB/km στα 9,1 μm. Η απορρόφηση υπεριώδους είναι η ενέργεια που απορροφάται όταν τα ηλεκτρόνια διεγείρονται για μετάβαση σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας από τα κύματα φωτός. Αυτή η απορρόφηση συμβαίνει στην περιοχή της υπεριώδους ακτινοβολίας και ως εκ τούτου συνήθως ονομάζεται απορρόφηση υπεριώδους. Τα γυάλινα υλικά περιέχουν ιόντα μετάλλων μετάπτωσης, όπως σίδηρο και χαλκό, καθώς και ιόντα ΟΗ-. Η απορρόφηση ακαθαρσιών είναι η απώλεια που προκαλείται από την απορρόφηση της φωτεινής ενέργειας από στάδια ηλεκτρονίων που δημιουργούνται από δονήσεις ιόντων υπό διέγερση κυμάτων φωτός. Για παράδειγμα, στα 1,39 μm, η εξασθένηση είναι 60 dB/km όταν η συγκέντρωση ιόντων ΟΗ- είναι 1 × 10-6.

Απώλεια διασποράς

Η απώλεια σκέδασης είναι η απώλεια που εκπέμπει φωτεινή ενέργεια από την οπτική ίνα με τη μορφή σκέδασης. Προκαλείται από την μη-μη ομοιόμορφη πυκνότητα εντός της ίνας. Οι κύριοι τύποι απώλειας σκέδασης στις οπτικές ίνες περιλαμβάνουν σκέδαση Rayleigh, σκέδαση Mie, διεγερμένη σκέδαση Brillouin, διεγερμένη σκέδαση Raman, πρόσθετα δομικά ελαττώματα και σκέδαση κάμψης και σκέδαση διαρροών.

Κατά την κατασκευή οπτικών ινών, η θερμική κίνηση των μορίων στο λιωμένο γυαλί προκαλεί διακυμάνσεις στην πυκνότητα και τον δείκτη διάθλασης στη δομή του, που με τη σειρά του προκαλεί σκέδαση φωτός. Η σκέδαση που προκαλείται από σωματίδια πολύ μικρότερα από το μήκος κύματος του φωτός ονομάζεται σκέδαση Rayleigh. Η σκέδαση που προκαλείται από σωματίδια του ίδιου μήκους κύματος με το φως ονομάζεται σκέδαση Mie.

Η σκέδαση Rayleigh είναι η κύρια αιτία απώλειας ινών. Η σκέδαση Rayleigh εμφανίζει μια ιδιότητα να είναι ανάλογη με το 1/λ του μικρού μήκους κύματος, δηλαδή R=K/λ. Η σταθερά αναλογικότητας K σχετίζεται με τη δομή και τη σύνθεση του γυαλιού. Γενικά, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία μετάπτωσης γυαλιού και όσο πιο σύνθετη είναι η σύνθεσή του, τόσο μεγαλύτερη είναι η απώλεια σκέδασης Rayleigh.

Η σκέδαση Rayleigh επηρεάζεται από την ένταση του προσπίπτοντος φωτός. Η διεγερμένη σκέδαση Brillouin και η διεγερμένη σκέδαση Raman, από την άλλη πλευρά, συμβαίνουν όταν η πυκνότητα της φωτεινής ενέργειας υπερβαίνει μια ορισμένη υψηλή τιμή και παράγονται από την αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και μέσου.

Πρόσθετες απώλειες

Οι πρόσθετες απώλειες (ή οι απώλειες εφαρμογής) είναι απώλειες που προέρχονται από εξωτερικές πηγές, όπως αυτές που προκαλούνται από συστροφή ίνας ή πλευρική πίεση κατά την κατασκευή, την εγκατάσταση και τη λειτουργία, με αποτέλεσμα τη μακρο-κάμψη και τη μικρο-κάμψη της ίνας.

Οι αιτίες της απώλειας ινών συνοψίζονται στο Σχήμα:

Χαρακτηριστικά διασποράς οπτικών ινών

Στη φυσική, η διασπορά αναφέρεται στο φαινόμενο όπου το φως διαφορετικών χρωμάτων διασκορπίζεται αφού περάσει από ένα διαφανές μέσο. Μια δέσμη λευκού φωτός χωρίζεται σε μια επτά-χρωματική ταινία αφού περάσει από ένα πρίσμα. Αυτό συμβαίνει επειδή το γυαλί έχει διαφορετικούς δείκτες διάθλασης για διαφορετικά χρώματα (διαφορετικές συχνότητες ή διαφορετικά μήκη κύματος). Όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος κύματος (ή όσο χαμηλότερη είναι η συχνότητα), τόσο χαμηλότερος είναι ο δείκτης διάθλασης του γυαλιού. Όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος (ή όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα), τόσο υψηλότερος είναι ο δείκτης διάθλασης. Με άλλα λόγια, ο δείκτης διάθλασης του γυαλιού είναι συνάρτηση της συχνότητας (ή του μήκους κύματος) του φωτεινού κύματος. Όταν το λευκό φως που αποτελείται από διαφορετικά χρώματα προσπίπτει στην ίδια γωνία θ, σύμφωνα με το νόμο της διάθλασης (n=sinθ/n²), διαφορετικά χρώματα φωτός θα έχουν διαφορετικές γωνίες διάθλασης λόγω των διαφορετικών τιμών n², διαχωρίζοντας έτσι τα διαφορετικά χρώματα του φωτός, με αποτέλεσμα τη διασπορά. Εφόσον n=c/n (όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός, c=3 × 10-6 m/s), είναι σαφές ότι διαφορετικά χρώματα φωτός ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες μέσα στο γυαλί.

Στη θεωρία διάδοσης οπτικών ινών, η έννοια του όρου «διασπορά» έχει διευρυνθεί. Στις οπτικές ίνες, τα σήματα μεταφέρονται και μεταδίδονται με κύματα φωτός πολλών διαφορετικών τρόπων ή συχνοτήτων. Όταν το σήμα φτάσει στο τερματικό, οι διαφορετικοί τρόποι λειτουργίας ή οι συχνότητες των κυμάτων φωτός παρουσιάζουν διαφορές καθυστέρησης μετάδοσης, προκαλώντας παραμόρφωση του σήματος. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται συλλογικά διασπορά. Για τα ψηφιακά σήματα, η διασπορά προκαλεί διεύρυνση του παλμού μετά τη διάδοση μιας ορισμένης απόστασης μέσω της ίνας. Σε σοβαρές περιπτώσεις, διαδοχικοί παλμοί θα επικαλύπτονται, σχηματίζοντας διασυμβολική παρεμβολή. Επομένως, η διασπορά καθορίζει το εύρος ζώνης μετάδοσης της οπτικής ίνας και περιορίζει τον ρυθμό μετάδοσης του συστήματος ή την απόσταση επαναλήπτη. Η διασπορά και το εύρος ζώνης είναι τα ίδια χαρακτηριστικά των οπτικών ινών που περιγράφονται από διαφορετικές οπτικές γωνίες.

Με βάση τα αίτια της διασποράς, η διασπορά οπτικών ινών χωρίζεται κυρίως σε: τροπική διασπορά, διασπορά υλικού, διασπορά κυματοδηγού και διασπορά τρόπου πόλωσης, τα οποία θα εισαχθούν παρακάτω.

Διασπορά τρόπου λειτουργίας

Η τροπική διασπορά υπάρχει γενικά σε πολύτροπες ίνες. Επειδή συνυπάρχουν πολλαπλοί τρόποι λειτουργίας σε μια πολύτροπη ίνα και οι ταχύτητες διάδοσης της ομάδας διαφορετικών τρόπων κατά μήκος του άξονα της ίνας είναι διαφορετικές, αναπόφευκτα θα φτάσουν στο τερματικό σε διαφορετικούς χρόνους, με αποτέλεσμα διαφορά χρόνου καθυστέρησης και σχηματισμό διατροπικής διασποράς, προκαλώντας έτσι διεύρυνση του πλάτους παλμού. Η διεύρυνση του παλμού λόγω της τροπικής διασποράς φαίνεται στο Σχήμα 2-10. Για μια ιδανική ίνα μονής-λειτουργίας, καθώς μεταδίδεται μόνο ένας τρόπος (βασικός τρόπος λειτουργίας - λειτουργία LP ή HE), δεν υπάρχει τροπική διασπορά, αλλά υπάρχει διασπορά τρόπου πόλωσης.

Τώρα, υπολογίζουμε τη μέγιστη τροπική διασπορά μιας βηματικής-πολυτροπικής ίνας ευρετηρίου. Η τροπική διασπορά μιας ίνας πολλαπλών λειτουργιών σταδίου-δείκτης φαίνεται στο Σχήμα 2-11. Σε μια πολύτροπη ίνα βηματικού-δείκτη, οι δύο ταχύτερα και πιο αργά διαδιδόμενες ακτίνες είναι η ακτίνα ① που διαδίδεται κατά μήκος του άξονα και η ακτίνα ② που προσπίπτει σε κρίσιμη γωνία 0 μοιρών, αντίστοιχα. Επομένως, η μέγιστη διασπορά τρόπου λειτουργίας σε μια πολύτροπη ίνα βηματικού δείκτη είναι η χρονική διαφορά μεταξύ του χρόνου που χρειάζεται η ακτίνα ② (Tmax) και του χρόνου που χρειάζεται η ακτίνα ① (Tmin) για να φτάσει στο τερματικό, ΔT_μουξ: ΔT_μουξ = T_μέγ / T_ελάχ

Σύμφωνα με τη γεωμετρική οπτική, σε μια οπτική ίνα μήκους L, αφήστε τις ταχύτητες των ακτίνων φωτός ① και ② κατά μήκος της αξονικής διεύθυνσης να είναι c/n και sinθ·c/n, αντίστοιχα. Επομένως, η τροπική διασπορά της οπτικής ίνας είναι...

Σε ασθενώς κατευθυνόμενες οπτικές ίνες (ίνες όπου n_iκαι ν_iδιαφέρουν πολύ λίγο), A=(n_i- n)/n. Αν Δ=1%, n_i= 1.5 για τις οπτικές ίνες πυριτίου και το μήκος της ίνας είναι 1 km, στη συνέχεια η μέγιστη διατροπική διασπορά ΔT_mμπορεί να υπολογιστεί ως 50 ns. Επομένως, είναι προφανές ότι όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος της ίνας, τόσο πιο σοβαρή είναι η διατροπική διασπορά. και όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά του σχετικού δείκτη διάθλασης Δ, τόσο πιο σοβαρή είναι η διατροπική διασπορά.

Διασπορά υλικού

Επειδή ο δείκτης διάθλασης των υλικών οπτικών ινών ποικίλλει ανάλογα με το μήκος κύματος του φωτός, η ομαδική ταχύτητα των διαφορετικών συχνοτήτων του οπτικού σήματος διαφέρει, προκαλώντας διαφορά καθυστέρησης μετάδοσης, ένα φαινόμενο γνωστό ως διασπορά υλικού. Αυτή η διασπορά εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά μήκους κύματος του δείκτη διάθλασης του υλικού οπτικών ινών και το πλάτος γραμμής της φωτεινής πηγής.

Στα ψηφιακά συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών, το φως εξόδου από την πραγματική πηγή φωτός δεν είναι ένα μόνο μήκος κύματος αλλά έχει ένα ορισμένο εύρος φασματικής γραμμής. Δεδομένου ότι ο δείκτης διάθλασης του υλικού της ίνας είναι συνάρτηση του μήκους κύματος, η ταχύτητα διάδοσης του φωτός μέσα σε αυτό (λ)=c/n(λ) ποικίλλει επίσης ανάλογα με το μήκος κύματος. Όταν ένας παλμός φωτός που εκπέμπεται από μια πηγή φωτός με ένα ορισμένο εύρος φασματικής γραμμής προσπίπτει σε μια ίνα μονής-λειτουργίας και διαδίδεται, οι παλμοί φωτός διαφορετικού μήκους κύματος θα έχουν διαφορετικές ταχύτητες διάδοσης, με αποτέλεσμα διαφορά χρόνου καθυστέρησης όταν φτάσουν στο τέλος εξόδου, προκαλώντας έτσι διεύρυνση του παλμού. Αυτός είναι ο μηχανισμός διασποράς του υλικού.

Εάν η ταχύτητα της ομάδας είναι γνωστό ότι είναι u=da/dB, τότε η καθυστέρηση ομάδας ανά μονάδα μήκους είναι T=1/v,=n,/c. Επομένως, η διασπορά υλικού μιας οπτικής ίνας μήκους L είναι...

Στον τύπο, c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό. λ είναι ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα της ίνας. λ είναι το μήκος κύματος του φωτός. και λ είναι το φασματικό εύρος γραμμής της πηγής φωτός, όπου το Aλ=λ - λ, που αντιπροσωπεύει το εύρος μήκους κύματος με κέντρο στο Α. Γενικά, ο συντελεστής διασποράς χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του μεγέθους της διασποράς. Ο συντελεστής διασποράς D (μονάδα: ps/(nm·km)) ορίζεται ως...

Μπορεί να φανεί ότι ο συντελεστής διασποράς είναι η διασπορά που προκαλείται από μια φωτεινή πηγή με ένα μοναδιαίο φασματικό εύρος γραμμής που διαδίδεται σε μια μονάδα μήκους οπτικής ίνας. Εάν είναι γνωστός ο συντελεστής διασποράς υλικού της οπτικής ίνας, η διασπορά υλικού μπορεί εύκολα να υπολογιστεί ως ΔTm=DmAAL.

Παράδειγμα 2-1: Ας υποθέσουμε ότι ο μέγιστος συντελεστής διασποράς υλικού μιας οπτικής ίνας σε μήκος κύματος 1,31 m είναι D=3.5ps/(nm·km). Εάν ένα λέιζερ ημιαγωγών με κεντρικό μήκος κύματος 1,31 μm χρησιμοποιείται για τη δημιουργία φωτός μετάδοσης με εύρος φασματικής γραμμής λ=4nm, υπολογίστε τη διασπορά υλικού που προκαλείται από αυτό το φως που διαδίδεται σε μήκος 1 km οπτικής ίνας.

Λύση: Η διασπορά υλικού της οπτικής ίνας μπορεί εύκολα να υπολογιστεί ως:

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

Όπως φαίνεται στο Παράδειγμα 2-1, η διασπορά του υλικού είναι σχετικά μικρή, ακόμη μικρότερη από τη τροπική διασπορά μιας πολύτροπης ίνας βαθμιαίου δείκτη. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι ο συντελεστής διασποράς μιας οπτικής ίνας (όχι μόνο ο συντελεστής διασποράς υλικού) μπορεί να είναι θετικός ή αρνητικός. Στην οπτική ίνα, η καθυστέρηση της ομάδας (Α) αυξάνεται με το μήκος κύματος φορέα. Με άλλα λόγια, τα κύματα φωτός μικρότερου μήκους κύματος διαδίδονται πιο γρήγορα. Σε αυτή την περίπτωση, ο συντελεστής διασποράς είναι αρνητικός, που ονομάζεται αρνητική διασπορά. Αντίθετα, τα κύματα φωτός μεγαλύτερου μήκους κύματος διαδίδονται πιο αργά από τα κύματα φωτός μικρότερου μήκους κύματος.

Εδώ, ο συντελεστής διασποράς είναι θετικός, που ονομάζεται θετική διασπορά. Σαφώς, εάν δύο οπτικές ίνες με αντίθετα σημάδια συντελεστή διασποράς συντηχθούν μεταξύ τους, η διασπορά του υλικού θα βελτιωθεί.

διασπορά κυματοδηγού

Η διασπορά κυματοδηγού ΔTw αναφέρεται σε μια συγκεκριμένη καθοδηγούμενη λειτουργία σε μια οπτική ίνα. Διαφορετικά μήκη κύματος έχουν διαφορετικές σταθερές φάσης, με αποτέλεσμα διαφορετικές ταχύτητες ομάδας και επομένως διασπορά. Η διασπορά του κυματοδηγού σχετίζεται επίσης με διάφορους παράγοντες όπως οι δομικές παράμετροι της οπτικής ίνας και η σχετική διαφορά δείκτη διάθλασης μεταξύ του πυρήνα και της επένδυσης. επομένως ονομάζεται και δομική διασπορά.

Διασπορά τρόπου πόλωσης

Η διασπορά λειτουργίας πόλωσης είναι ένας τύπος διασποράς μοναδικός για οπτικές ίνες μονής-λειτουργίας. Επειδή οι ίνες μονής-λειτουργίας μεταδίδουν στην πραγματικότητα δύο αμοιβαία ορθογώνιες καταστάσεις πόλωσης, τα ηλεκτρικά τους πεδία είναι πολωμένα κατά τις κατευθύνσεις x και y, αντίστοιχα.

Εύρος ζώνης οπτικών ινών

Η διασπορά και το εύρος ζώνης των οπτικών ινών περιγράφουν το ίδιο χαρακτηριστικό. Στην πραγματικότητα, η διασπορά περιγράφει την έκταση στην οποία ένας παλμός φωτός διευρύνεται κατά μήκος του άξονα του χρόνου μετά τη μετάδοση. είναι μια περιγραφή των χαρακτηριστικών της ίνας στον τομέα του χρόνου. Το εύρος ζώνης, από την άλλη πλευρά, περιγράφει αυτό το χαρακτηριστικό στον τομέα της συχνότητας. Στον τομέα της συχνότητας, για ένα σήμα διαμόρφωσης, η οπτική ίνα μπορεί να θεωρηθεί ως χαμηλοπερατό-φίλτρο. Όταν οι συνιστώσες υψηλής-συχνότητας του σήματος διαμόρφωσης διέρχονται από αυτό, εξασθενούν σοβαρά. Δηλαδή, εάν το πλάτος του σήματος εισόδου (σήμα διαμόρφωσης) παραμένει σταθερό, αλλά αλλάζει μόνο η συχνότητα, το πλάτος του σήματος εξόδου μετά τη μετάδοση μέσω της ίνας θα αλλάξει με τη συχνότητα του σήματος διαμόρφωσης (σήμα εισόδου). Το TTU-T συνιστά να προσδιορίσετε ότι το εύρος ζώνης μιας οπτικής ίνας είναι [εύρος ζώνης ανά χιλιόμετρο].