TopSłownik technicznyTłumienie włókna światłowodowego

Tłumienie włókna światłowodowego

Tłumieniem nazywamy wszelkiego rodzaju zjawiska powodujące zmniejszenie mocy propagowanego sygnału, które jednocześnie nie mają wpływu na jego kształt.

 

Do matematycznego opisu spowodowanych tłumieniem strat mocy w światłowodzie stosowany jest parametr zwany tłumiennością jednostkową a, mierzony na odcinku 1 km. Wyrażany jest on w dB/km i określany wzorem:

 

P(l1) i P(l2) – moc optyczna mierzona w światłowodzie w punktach l1 i l2 oddalonych od siebie o L

 

Tłumienie rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem długości włókna, ograniczając tym samym zasięg transmisji. Wzrost tłumienia o 3 dB odpowiada spadkowi mocy propagowanego sygnału o 50%.

 

Na straty mocy spowodowane tłumieniem składają się zjawiska mające podłoże materiałowe, związane z właściwościami fizycznymi samego materiału rdzenia, oraz straty falowodowe, wynikające z konstrukcji światłowodu (rys. 1). Do strat materiałowych zaliczamy wszelkiego typu absorpcje oraz rozpraszanie. Straty falowodowe to z kolej utrata energii spowodowana m.in. mikro- i makrozgięciami, nierównomiernością rozkładu współczynnika załamania światła na granicy rdzeń-płaszcz czy wahaniami średnicy lub kształtu tej granicy.

 

Rys. 1. Zależność tłumienności jednostkowej [a] od długości fali λ w światłowodzie kwarcowym jednomodowym

 

I II III - okna transmisyjne

A - rozproszenie Rayleigha

B - absorpcja w jonach wodorotlenowych

C - absorpcja w ultrafiolecie

D - absorpcja w podczerwieni

E - straty falowodowe

Absorpcja jest zjawiskiem polegającym na przekazaniu energii fali elektromagnetycznej do materiału ośrodka, w którym fala się rozchodzi (rys. 2). Energia ta zostaje później wytracona w postaci drgań cząstek (w głównej mierze drgań cieplnych) lub poprzez emisję. Energia może zostać pochłonięta przez cząstkę tylko w ściśle określonych porcjach (kwantach), które są zdeterminowane częstotliwością fali elektromagnetycznej ν. Zaabsorbowanie fotonu powoduje przekazanie energii potrzebnej do wzbudzenia cząstki na wyższy poziom energetyczny, zmniejszając tym samym strumień światła.

 

Rys. 2. Absorpcja

 

- kwant energii fotonu

E0 - poziom energetyczny podstawowy

E1 - poziom energetyczny wzbudzony

W światłowodach telekomunikacyjnych i multimedialnych największą rolę odgrywa absorpcja przez zanieczyszczenia, zwłaszcza jony -OH. Mniejsze znaczenie mają absorpcja w podczerwieni oraz absorpcja w zakresie UV.

 

Dla fal o długościach 0,95 μm i 1,38 μm decydujący wpływ na straty optyczne ma obecność jonów -OH, dla których występują odpowiednio trzecia i druga harmoniczna drgań. Przy długości fali 1,23 μm nakładają się drgania jonów -OH z wiązaniami Si-O, Cu2+, Fe2+, Cr3+ oraz H2 (rys. 1 – B). Obecność jonów -OH to pozostałość po zanieczyszczeniu parą wodną w trakcie procesu produkcyjnego. Dodając odpowiednie substancje domieszkujące, wpływa się nie tylko na zmianę współczynnika załamania światła n, ale i na wzrost absorpcji (rys. 3).

 

Rys. 3. Zależność tłumienności jednostkowej [a] od zmiany współczynnika załamania światła Δn w światłowodzie kwarcowym jednomodowym przy długości fali 1 μm

 

Absorpcja w nadfiolecie osiąga maksimum przy długości fali 0,2 μm. Wiąże się to z wybijaniem przez fotony elektronów walencyjnych do pasma przewodnictwa. Dla fal dłuższych niż 0,8 μm absorpcja w UV jest pomijalna (rys. 1 – C).

 

Z właściwości samego szkła kwarcowego wynika też, że wraz ze wzrostem długości fali powyżej 1,6 μm wzrasta absorpcja w podczerwieni (rys. 1 – D). Przy długości fali 9 μm struktury krystaliczne Si02 wpadają w rezonans, w wyniku czego powstaje maksimum tłumienia i światłowód przestaje być transparentny.

 

Rozpraszanie jest to zmiana kierunku propagowanego promieniowania spowodowana niejednorodnościami materiału na poziomie cząsteczkowym.
Dominującą rolę w światłowodach telekomunikacyjnych i multimedialnych odgrywa rozpraszanie Rayleigha, występują również zjawiska rozpraszania Mie oraz wymuszone rozpraszanie Ramana i Brillouina.

 

Przyczyną występowania rozpraszania Rayleigha (RR) są niejednorodności materiału rdzenia (spowodowane niedoskonałością struktury szkła) o rozmiarach znacznie mniejszych od 0,03 λ. RR jest odwrotnie proporcjonalne do czwartej potęgi długości fali świetlnej (rys. 1 – A), wyznaczając tym samym granicę użyteczności światłowodów kwarcowych dla fal krótszych niż 0,7 μm. Tłumienność zależną od RR (aR) opisuje wzór:

 

k – stała materiałowa mieszcząca się w zakresie 0,7 do 0,8 (w zależności od ilości domieszek)

 

RR przebiega w następujący sposób: elektryczna składowa padającej fali elektromagnetycznej indukuje elektryczny moment dipolowy drgający z częstotliwością tej fali. Dipol pochłania kwant światła, po czym natychmiast go emituje z częstotliwością równą częstotliwości drgań dipola, a tym samym i fali padającej (rys. 4). Kierunek rozproszonej fali jest losowy, jednakże z mniejszym prawdopodobieństwem emitowane są fale równoległe do osi dipola.

 

Rys. 4. Rozproszenie Rayleigha

 

A - fala padająca

B - rozpraszająca cząstka dielektryczna (mniejsza od długości fali świetlnej)

C - fala przechodząca (dla zachowania przejrzystości rysunku nie uwzględniono zmiany kierunku propagacji fali świetlnej)

D - fale rozproszone

λ[const] - długość fali

Rozproszenie Mie (RM) zachodzi, gdy fala świetlna jest rozpraszana na cząstkach lub skupiskach molekuł o wielkości porównywalnej bądź większej od długości tej fali. Proces ten nie jest bezpośrednio powiązany z długością fali rozpraszanej, lecz z ilorazem wymiaru cząstki i długości fali. Opisany jest parametrem α.

 

r – promień cząstki

 

Gdy rozmiar cząstki jest porównywalny z długością fali, rozpraszanie jest (w przybliżeniu) równomierne we wszystkich kierunkach. Wraz ze wzrostem wartości ilorazu r/λ wzrasta asymetria w obserwowanym rozproszeniu (rys. 5). W przypadku, gdy r>>λ, dominujące staje się rozpraszanie w kierunku zgodnym z rozpraszaną falą (rozpraszanie do przodu), a zmiana długości fali padającej jest praktycznie pomijalna.

 

Rys. 5. Rozproszenie Mie. Rozproszenie na niedoskonałościach materiału rdzenia światłowodu: A) – porównywalnych/większych od długości fali świetlnej, B) – znacznie większych od długości fali świetlnej

 

Poprzez udoskonalenie procesu technologicznego produkcji światłowodów udało się (w znacznej mierze) wyeliminować pęcherze gazów, skupiska pierwiastków domieszkujących czy krystalitów, przez co straty mocy spowodowane RM zredukowano do wartości rzędu 0,03 dB/km.

 

Wymuszone rozpraszanie Brillouina (SBS) i wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS) są zjawiskami nieliniowymi. Do oddziaływania pomiędzy falą elektromagnetyczną a materiałem ośrodka dochodzi po przekroczeniu granicznej wartości mocy optycznej.

 

SBS pojawia się, gdy w światłowodach prowadzone są mody o mocy optycznej rzędu kilkunastu mW. Powstaje wówczas fala wsteczna, dodatkowo następuje przekazanie energii fotonów poprzez materię ośrodka fononom akustycznym. Ponadto, następuje przesunięcie częstotliwości prowadzonego modu o:

 

n – współczynnik załamania światła
ν – prędkość fali dźwiękowej w ośrodku

 

SRS pojawia się po przekroczeniu mocy optycznej rzędu 1 W i polega na oddziaływaniu modów prowadzonych z wibracjami molekularnymi materiału ośrodka. Światło, ulegając rozproszeniu, przekazuje kwant energii fotonu cząstce rozpraszającej oraz zmienia swoją częstotliwość. Następstwem tego jest zmniejszenie mocy optycznej modów o większej częstotliwości (modów sondujących) oraz zwiększenie mocy (pompowanie) fali o częstotliwości niższej o częstotliwość Stokesa. W światłowodach krzemowych każde dwie fale o różnicy w częstotliwości rzędu 15 THz będą ze sobą sprzężone poprzez SRS.

 

Kolejne źródło strat to zgięcia włókna, zarówno w skali makro-, jak i mikroskopowej.

 

Fala, która propaguje wzdłuż światłowodu i napotyka na zgięcie, pada na granicę pomiędzy płaszczem i rdzeniem pod innym kątem niż na prostym odcinku światłowodu. Gdy kąt padania jest mniejszy od kąta granicznego, zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia nie występują. Mody prowadzone ulegają częściowej konwersji w mody radiacyjne, czego następstwem jest załamanie poza rdzeń światłowodu, a także poza płaszcz (rys. 4). Część energii jest więc tracona.

 

Rys. 4. Straty (mody wyciekające) powstałe na zgięciach światłowodu – makrozgięcia

 

Θ - kąt padania czoła fali świetlnej na granicę rdzeń-płaszcz w zgięciu światłowodu

Θg - kąt graniczny dla całkowitego wewnętrznego odbicia

Straty powstałe na zgięciach są nie do uniknięcia, można je minimalizować poprzez redukcję liczby zagięć, a w miejscach, gdzie są one konieczne – przez stosowanie zgięć o jak największym promieniu krzywizny. Każdy producent światłowodu podaje minimalny promień gięcia, który należy uwzględnić przy układaniu kabla. Jest to parametr, którego nie należy zmieniać, aby nie pogorszyć znacząco parametrów przewodu.

 

Mikrozgięcia powstają na etapie produkcji włókien. Pod tym pojęciem kryją się wszelkiego rodzaju nieregularności w kształcie granicy pomiędzy rdzeniem i płaszczem o charakterze zarówno losowym (mikropęknięcia, skupiska domieszek, pęcherze gazu), jak i cyklicznym (np. zmiany średnicy czy geometrii rdzenia oraz mikropęknięcia powstałe poprzez okresowe zwiększania naprężenia podczas nawijania włókna na bęben).

 

Rys. 5. Straty (mody wyciekające) spowodowane występowaniem niedoskonałości w budowie światłowodu – mikrozgięcia

 

A - nieregularności granicy pomiędzy płaszczem i rdzeniem

B - zanieczyszczenie jonami

Mikrozgięcia w światłowodach wielomodowych powodują sprzęganie się modów oraz konwersję energii modów prowadzonych do modów radiacyjnych. W światłowodach jednomodowych są przyczyną rozmywania się modu.

 


Netto:0.00 USD
Brutto:0.00 USD
Waga:0.00 kg
Szczególnie polecamy
ŁĄCZÓWKA ZASILANIA LZ-1
LZ-1

Netto: 3.69 USD

EXTENDER HDMI+USB-EX-60
HDMI+USB-EX-60

Netto: 93.47 USD

PUSZKA POŁĄCZENIOWA PUH-RJ45
PUH-RJ45

Netto: 7.22 USD

Switch PoE GTS-B1-10-82G 10-PORTOWY
GTS-B1-10-82G

Netto: 102.55 USD

KAMERA AHD, HD-CVI, HD-TVI, PAL APTI-H14MP-37 PINHOLE - 720p, 3.7 mm
APTI-H14MP-37

Netto: 45.72 USD

SKRĘTKA UTP/K5/305M/PE/MTC METACON
UTP/K5/305M/PE/MTC

Netto: 0.29 USD

WIELOFUNKCYJNY TESTER CCTV CS-H8F-70HQ
CS-H8F-70HQ

Netto: 1201.79 USD

SKRĘTKA UTP/K5/305M/ZEL
UTP/K5/305M/ZEL

Netto: 0.37 USD

KAMERA WANDALOODPORNA AHD, HD-CVI, HD-TVI, PAL APTI-H24V3-2812 - 1080p 2.8 ... 12 mm
APTI-H24V3-2812

Netto: 46.58 USD

 
60-713 Poznań, Graniczna 10
tel.: +(48) 61 864 69 60
e-mail: info@delta.poznan.pl
Godziny pracy
Pon.-Piąt.: 8.00 - 19.00
Sob.: 8.00 - 14.00
Dział Handlowy, Wysyłki
tel.: +(48) 61 864 69 69
e-mail: sklep@delta.poznan.pl
Wsparcie techniczne
tel.: +(48) 61 864 69 70
e-mail: technika@delta.poznan.pl
(c) 2001-2019 DELTA