Pärastoptilised signaalid liiguvadTeatud vahemaa läbimisel läbi optilise kiu, läbivad need nõrgenemise ja moonutamise, mistõttu optilise sisend- ja väljundsignaalimpulsid erinevad. See väljendub optiliste impulsside amplituudi sumbumise ja lainekuju laienemisena. Selle nähtuse põhjuseks on kadu ja hajumine optilises kius. Kadu ja dispersioon on kõige olulisemad optiliste kiudude ülekandeomadusi kirjeldavad parameetrid, mis piiravad süsteemi edastuskaugust ja läbilaskevõimet. Selles jaotises käsitletakse peamiselt optiliste kiudude kadumise ja hajumise mehhanisme ja omadusi.
★Optiliste kiudude omadused (2. osa)
Optilise kiu kadumise omadused
Optilise kiu kadu põhjustab signaali nõrgenemist, seetõttu nimetatakse kiudude kadu ka sumbumiseks. Kui kaugus suureneb optilises kius, väheneb valgussignaali intensiivsus järgmiselt: P(z)=P(0) /10 - (4) kus P(z) on optiline võimsus edastuskaugusel z; P(0) on optilise kiu optiline sisendvõimsus, st z=0 juures sisestatud optiline võimsus; (λ) on optilise kiu sumbumise koefitsient lainepikkusel dB/km; ja L on edastuskaugus.
Kui t=L, defineeritakse kiudude sumbumiskoefitsient järgmiselt
(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]
Kui töölainepikkus λ on dB ja kui sumbumiskoefitsienti mõõdetakse ühikutes dB kilomeetri kohta, siis A(λ) (ühik on dB) väljendatakse järgmiselt:
A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]
Kiudoptiline side on arenenud koos kiudude tootmise pideva täiustamisega, eriti kiudude kadude vähendamisega. Kiudude kadu on üks peamisi tegureid, mis määrab kiudoptilise sidesüsteemi relee kauguse. Kiudude kadu põhjustavad paljud tegurid, peamiselt neeldumise kadu, hajumise kadu ja täiendav kadu ning nende kadude aluseks olevad mehhanismid on üsna keerulised. Järgmises arutelus kasutatakse kaotuse erinevate põhjuste illustreerimiseks näitena ränidioksiidi optilist kiudu.
Imendumiskaotus
Absorptsioonikadu hõlmab peamiselt sisemist neeldumist, lisandite neeldumist (OH-radikaalid) ja struktuursete defektide absorptsiooni. Sisemine neeldumine hõlmab infrapuna- ja ultraviolettkiirgust.
Infrapunane neeldumine on molekulaarresonantsist põhjustatud valgusenergia neeldumine, kui valgus läbib SiO2-st koosnevat kvartsklaasi. Näiteks Si-O neeldumispiigid on 9,1 μm, 12,5 μm ja 21,3 μm ning optilise kiu neeldumiskadu on 9,1 μm juures koguni 10 dB/km. Ultraviolettkiirguse neeldumine on energia, mis neeldub, kui elektronid ergastatakse valguslainete abil üle minema kõrgemale energiatasemele. See neeldumine toimub ultraviolettkiirguse piirkonnas ja seetõttu nimetatakse seda tavaliselt ultraviolettkiirguse neeldumiseks. Klaasmaterjalid sisaldavad siirdemetalliioone, nagu raud ja vask, aga ka OH- ioone. Lisandite neeldumine on kadu, mis on põhjustatud valgusenergia neeldumisest elektronsammude kaudu, mis tekivad ioonide vibratsioonist valguslainete ergastuse korral. Näiteks 1,39 μm juures on sumbumine 60 dB/km, kui OH- ioonide kontsentratsioon on 1 × 10⁻⁶.
Hajumiskaotus
Hajumiskadu on kadu, mis kiirgab valgusenergiat valguskiust hajumise kujul välja. Selle põhjuseks on kiu ebaühtlane tihedus-. Optiliste kiudude hajumise kadude peamised tüübid hõlmavad Rayleighi hajumist, Mie hajumist, stimuleeritud Brillouini hajumist, stimuleeritud Ramani hajumist, täiendavaid struktuurseid defekte ja paindehajumist ning lekke hajumist.
Optiliste kiudude valmistamisel põhjustab molekulide termiline liikumine sulas klaasis selle struktuuris tiheduse ja murdumisnäitaja kõikumisi, mis omakorda põhjustab valguse hajumist. Valguse lainepikkusest palju väiksemate osakeste tekitatud hajumist nimetatakse Rayleighi hajumiseks; valgusega sama lainepikkusega osakeste tekitatud hajumist nimetatakse Mie hajumiseks.
Rayleighi hajumine on kiudude kadumise peamine põhjus. Rayleighi hajumisel on omadus olla proportsionaalne lühikese lainepikkuse 1/λ-ga, st R=K/λ. Proportsionaalsuskonstant K on seotud klaasi struktuuri ja koostisega. Üldiselt, mida kõrgem on klaasistumistemperatuur ja mida keerulisem on selle koostis, seda suurem on Rayleighi hajumise kadu.
Rayleighi hajumist mõjutab langeva valguse intensiivsus. Stimuleeritud Brillouini hajumine ja stimuleeritud Ramani hajumine tekivad seevastu siis, kui valguse energia tihedus ületab teatud kõrge väärtuse ning need tekivad valguse ja keskkonna interaktsioonist.
Täiendavad kaotused
Täiendavad kaod (või rakenduskaod) on kaod, mis tulenevad välistest allikatest, näiteks kiudude keerdumisest või külgsurvest ehitamise, paigaldamise ja kasutamise ajal, mille tulemuseks on kiu makro{0}}painutamine ja mikro{1}}painutamine.
Kiudude kadumise põhjused on kokku võetud joonisel:
| Kategooria | Alam-kategooria | Üksikasjad / Kirjeldus |
|---|---|---|
| Imendumiskaotus | Sisemine neeldumine | • Infrapuna neeldumine • Ultraviolettkiirguse neeldumine |
| Väline neeldumine | Põhjustatud lisanditest nagu Fe, Cu, siirdemetallid ja OH⁻ vibratsioonineeldumine | |
| Hajumiskaotus | Lineaarne hajumine | |
| - Rayleighi hajumine | Optilisest lainepikkusest palju väiksemate osakeste hajumine | |
| - Mie hajumine | Hajumine osakeste poolt, mille suurus on võrreldav optilise lainepikkusega | |
| Mittelineaarne hajumine | ||
| - Stimuleeritud Brillouini hajumine | Esineb siis, kui optilise võimsuse tihedus ületab madalama läve | |
| - Stimuleeritud Ramani hajumine | Esineb siis, kui optilise võimsuse tihedus ületab kõrgema läve | |
| Täiendav kaotus | - | Mikropainutusest, makropainutusest, venitamisest, kokkusurumisest ja mehaanilisest deformatsioonist põhjustatud kadu |
Optiliste kiudude dispersiooniomadused
Füüsikas viitab dispersioon nähtusele, kus erinevat värvi valgus hajub pärast läbipaistva keskkonna läbimist. Valge valgusvihk jaguneb pärast prisma läbimist seitsmevärviliseks ribaks. Seda seetõttu, et klaasil on erinevate värvide jaoks erinevad murdumisnäitajad (erinevad sagedused või erinevad lainepikkused). Mida pikem on lainepikkus (või madalam sagedus), seda madalam on klaasi murdumisnäitaja; mida lühem on lainepikkus (või kõrgem sagedus), seda suurem on murdumisnäitaja. Teisisõnu on klaasi murdumisnäitaja valguslaine sageduse (või lainepikkuse) funktsioon. Kui erinevatest värvidest koosnev valge valgus langeb sama nurga θ all, on vastavalt murdumisseadusele (n=sinθ/n²) erinevatel valguse värvidel erinev murdumisnurk erinevate n² väärtuste tõttu, eraldades seega erinevad valguse värvid, mille tulemuseks on hajumine. Kuna n=c/n (kus c on valguse kiirus, c=3 × 10⁻⁶ m/s), on selge, et erinevat värvi valgus liigub klaasi sees erineva kiirusega.
Optiliste kiudude levimise teoorias on mõiste "dispersioon" tähendust laiendatud. Optilistes kiududes kannavad ja edastavad signaale mitme erineva režiimi või sagedusega valguslained. Kui signaal jõuab terminali, kogevad valguslainete erinevad režiimid või sagedused edastusviivituse erinevusi, põhjustades signaali moonutusi. Seda nähtust nimetatakse ühiselt dispersiooniks. Digitaalsete signaalide puhul põhjustab dispersioon impulsi laienemist pärast teatud vahemaa levimist läbi kiu. Rasketel juhtudel kattuvad järjestikused impulsid, moodustades sümbolitevahelise häire. Seetõttu määrab dispersioon optilise kiu edastusriba laiuse ja piirab süsteemi edastuskiirust või repiiteri kaugust. Dispersioon ja ribalaius on erinevatest vaatenurkadest kirjeldatud optiliste kiudude omadused.
Hajutamise põhjuste põhjal jagatakse optiliste kiudude dispersioon peamiselt järgmisteks osadeks: modaalne dispersioon, materjali dispersioon, lainejuhi dispersioon ja polarisatsioonirežiimi dispersioon, mida tutvustatakse allpool.
Režiimi dispersioon
Modaalne dispersioon esineb üldiselt mitmemoodilistes kiududes. Kuna mitmemoodilises kius eksisteerivad samaaegselt mitu režiimi ja erinevate režiimide rühmade levikiirused piki kiu telge on erinevad, jõuavad need terminali paratamatult erinevatel aegadel, mille tulemuseks on ajaline viivituse erinevus ja moodustub intermodaalne dispersioon, põhjustades seega impulsi laiuse laienemist. Impulsi laienemine modaalsest dispersioonist on näidatud joonisel 2-10. Ideaalse ühemoodilise -moodi kiu puhul, kuna edastatakse ainult üks moodus (põhirežiim – LP või HE režiim), puudub modaalne dispersioon, kuid polarisatsioonirežiimi dispersioon on olemas.
Nüüd hindame samm{0}}indeksiga mitmemoodilise kiu maksimaalset modaalset dispersiooni. Samm-indeksiga mitmemoodilise kiu modaalne dispersioon on näidatud joonisel 2-11. Samm-indeksiga mitmemoodilises kius on kaks kõige kiiremini ja aeglasemalt levivat kiirt vastavalt piki telge leviv kiir ① ja 0-kraadise kriitilise nurga all langev kiir ②. Seetõttu on astmelise indeksi mitmemoodilise kiu maksimaalne režiimi dispersioon ajavahe aja vahel, mis kulub kiirel ② (Tmax) ja aja vahel, mis kiirel ① (Tmin) kulub terminali jõudmiseks, ΔT.mux: ΔTmux = Tmax / Tmin
Geomeetrilise optika järgi olgu valguskiirte ① ja ② teljesuunas valguskiirte kiirusteks L pikkusega vastavalt c/n ja sinθ·c/n. Seetõttu on optilise kiu modaalne dispersioon ...
Nõrgalt juhitavates optilistes kiududes (kiud, kus nija nierinevad väga vähe), A=(ni- n)/n. Kui Δ=1%, ni= 1.5 ränidioksiidi optiliste kiudude puhul ja kiu pikkus on 1 km, siis maksimaalne intermodaalne dispersioon ΔTmsaab arvutada kui 50 ns. Seetõttu on ilmne, et mida pikem on kiu pikkus, seda tugevam on intermodaalne dispersioon; ja mida suurem on suhteline murdumisnäitaja erinevus Δ, seda tugevam on intermodaalne dispersioon.
Materjali dispersioon
Kuna optiliste kiudude materjalide murdumisnäitaja varieerub sõltuvalt valguse lainepikkusest, on optilise signaali erinevate sageduste rühmakiirus erinev, põhjustades edastusviivituse erinevust, mida nimetatakse materjali hajutamiseks. See dispersioon sõltub kiudoptilise materjali murdumisnäitaja lainepikkuse omadustest ja valgusallika joonelaiusest.
Digitaalsetes fiiberoptilistes sidesüsteemides ei ole tegeliku valgusallika väljundvalgus ühe lainepikkusega, vaid sellel on teatud spektraalne laius. Kuna kiudmaterjali murdumisnäitaja on lainepikkuse funktsioon, muutub ka valguse levimiskiirus selles (λ)=c/n(λ) sõltuvalt lainepikkusest. Kui teatud spektraalse joonelaiusega valgusallika kiirgav valgusimpulss langeb ühemoodilisele-kiudule ja levib, on erineva lainepikkusega valgusimpulsside levimiskiirused erinevad, mille tulemuseks on ajaline erinevus, kui nad jõuavad väljundotsani, põhjustades seega impulsi laienemist. See on materjali hajumise mehhanism.
Kui rühma kiirus on teadaolevalt u=da/dB, siis rühma viivitus pikkuseühiku kohta on T=1/v,=n,/c. Seetõttu on L pikkusega optilise kiu materjali dispersioon ...
Valemis c on valguse kiirus vaakumis; λ on kiudude südamiku murdumisnäitaja; λ on valguse lainepikkus; ja Aλ on valgusallika spektraalne joonelaius, kus Aλ=λ - λ, mis tähistab lainepikkuste vahemikku, mille keskpunkt on A. Üldiselt kasutatakse dispersioonikoefitsienti dispersiooni suuruse mõõtmiseks. Dispersioonikoefitsient D (ühik: ps/(nm·km)) on määratletud kui...
On näha, et dispersioonikoefitsient on ühikulise spektraalse joonelaiusega valgusallika tekitatud dispersioon, mis levib optilise kiu ühiku pikkuses. Kui optilise kiu materjali dispersioonikoefitsient on teada, saab materjali dispersiooni kergesti arvutada kui ΔTm=DmAAL.
Näide 2-1: Oletame, et optilise kiu maksimaalne materjali hajumise koefitsient lainepikkusel 1,31 m on D=3.5ps/(nm·km). Kui pooljuhtlaserit, mille kesklainepikkus on 1,31 µm, kasutatakse läbiva valguse genereerimiseks spektraalse joonelaiusega λ=4 nm, arvutage materjali dispersioon, mille põhjustab valguse levimine 1 km pikkuses optilises kius.
Lahendus: optilise kiu materjali dispersiooni saab hõlpsasti arvutada järgmiselt:
Tm = DmLΔA=3.5ps/(nm·km) x 1km x 4nm=0.014ns=14ps
Nagu on näha näites 2-1, on materjali dispersioon suhteliselt väike, isegi väiksem kui astmelise mitmemoodilise kiu modaalne dispersioon. Samuti tuleb märkida, et optilise kiu dispersioonitegur (mitte ainult materjali hajutustegur) võib olla positiivne või negatiivne. Optilise kiu puhul suureneb grupi viivitus (A) koos kande lainepikkusega; teisisõnu levivad lühema lainepikkusega valguslained kiiremini. Sel juhul on dispersioonikoefitsient negatiivne, mida nimetatakse negatiivseks dispersiooniks; vastupidi, pikema lainepikkusega valguslained levivad aeglasemalt kui lühema lainepikkusega valguslained.
Siin on dispersioonikoefitsient positiivne, seda nimetatakse positiivseks dispersiooniks. On selge, et kui kaks vastupidise dispersioonikoefitsiendi märgiga optilist kiudu on kokku sulatatud, paraneb materjali dispersioon.
lainejuhi dispersioon
Lainejuhi dispersioon ΔTw viitab optilise kiu konkreetsele juhitavale režiimile. Erinevatel lainepikkustel on erinevad faasikonstandid, mille tulemuseks on erinevad rühmakiirused ja seega ka dispersioon. Lainejuhi dispersioon on seotud ka mitmesuguste teguritega, nagu optilise kiu struktuuriparameetrid ning suhteline murdumisnäitaja erinevus südamiku ja kattekihi vahel; seetõttu nimetatakse seda ka struktuurseks dispersiooniks.
Polarisatsioonirežiimi dispersioon
Polarisatsioonirežiimi dispersioon on dispersiooni tüüp, mis on ainulaadne ühemoodiliste{0}}optiliste kiudude jaoks. Kuna ühemoodilised kiud edastavad tegelikult kahte vastastikku ortogonaalset polarisatsioonirežiimi, on nende elektriväljad polariseeritud vastavalt x- ja y-suunas.
Kiudoptiline ribalaius
Optiliste kiudude dispersioon ja ribalaius kirjeldavad sama omadust. Tegelikult kirjeldab dispersioon seda, mil määral valgusimpulss pärast edastamist piki ajatelge laieneb; see on kiu omaduste kirjeldus ajas. Ribalaius seevastu kirjeldab seda omadust sageduspiirkonnas. Sageduspiirkonnas võib moduleeriva signaali puhul optilist kiudu pidada madalpääsfiltriks. Kui moduleeriva signaali kõrgsageduslikud komponendid{5}}läbivad seda, nõrgenevad need tugevalt. See tähendab, et kui sisendsignaali (moduleeriva signaali) amplituud jääb konstantseks, kuid muutub ainult sagedus, muutub väljundsignaali amplituud pärast kiu kaudu edastamist moduleeriva signaali (sisendsignaali) sagedusega. TTU-T soovitab määrata, et optilise kiu ribalaius on [ribalaius kilomeetri kohta].
