Optik fiberlerin özellikleri

Sonrasındaoptik sinyaller seyahatOptik fiber üzerinden belirli bir mesafede, zayıflamaya ve bozulmaya maruz kalırlar, bu da giriş ve çıkış optik sinyal darbelerinin farklı olmasına neden olur. Bu, optik darbelerin genlik zayıflaması ve dalga biçimi genişlemesi olarak kendini gösterir. Bu olgunun nedeni optik fiberde kayıp ve dispersiyonun varlığıdır. Kayıp ve dağılım, optik fiberlerin iletim özelliklerini tanımlayan, sistemin iletim mesafesini ve kapasitesini sınırlayan en önemli parametrelerdir. Bu bölümde öncelikle optik fiber kaybı ve dağılımının mekanizmaları ve özellikleri tartışılmaktadır.

★Optik fiberlerin özellikleri(bölüm 2)

Optik fiberin kayıp özellikleri

Optik fiber kaybı sinyal zayıflamasına yol açar, dolayısıyla optik fiber kaybına zayıflama da denir. Optik fiberde mesafe arttıkça ışık sinyalinin yoğunluğu şu şekilde azalır: P(z)=P(0) /10 - (4) burada P(z), z iletim mesafesindeki optik güçtür; P(0), optik fibere giren optik güçtür, yani z=0'ye enjekte edilen optik güçtür; (λ) dB/km cinsinden dalga boyundaki optik fiber zayıflama katsayısıdır; ve L iletim mesafesidir.

t=L olduğunda, fiber zayıflama katsayısı şu şekilde tanımlanır:

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

Çalışma dalga boyu λ dB olduğunda, zayıflama katsayısı kilometre başına dB cinsinden ölçülürse A(λ) (birim dB'dir) şu şekilde ifade edilir:

A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]

Optik fiber iletişimi, optik fiber üretimindeki sürekli gelişmelerin, özellikle de fiber kaybının azaltılmasının yanı sıra gelişmiştir. Fiber kaybı, bir fiber optik iletişim sisteminde röle mesafesini belirleyen ana faktörlerden biridir. Başta emilim kaybı, saçılma kaybı ve ek kayıp olmak üzere birçok faktör lif kaybına katkıda bulunur ve bu kayıpların altında yatan mekanizmalar oldukça karmaşıktır. Aşağıdaki tartışmada çeşitli kayıp nedenlerini göstermek için örnek olarak silika optik fiber kullanılmaktadır.

Emilim Kaybı

Emilim kaybı temel olarak içsel emilimi, safsızlık emilimini (OH radikalleri) ve yapısal kusur emilimini içerir. İçsel absorpsiyon, kızılötesi ve ultraviyole absorpsiyonu içerir.

Kızılötesi absorpsiyon, ışık SiO2'den oluşan kuvars camdan geçtiğinde moleküler rezonansın neden olduğu ışık enerjisinin absorpsiyonudur. Örneğin, Si-O'nun soğurma zirveleri 9,1 μm, 12,5 μm ve 21,3 μm'dedir ve optik fiberin soğurma kaybı 9,1 μm'de 10 dB/km kadar yüksektir. Ultraviyole emilimi, elektronların ışık dalgaları tarafından daha yüksek enerji seviyelerine geçiş için uyarılması sırasında emilen enerjidir. Bu absorpsiyon ultraviyole bölgede meydana gelir ve bu nedenle genellikle ultraviyole absorpsiyon olarak adlandırılır. Cam malzemeler, OH- iyonlarının yanı sıra demir ve bakır gibi geçiş metali iyonlarını da içerir. Safsızlık emilimi, ışık dalgası uyarımı altında iyon titreşimleri tarafından oluşturulan elektron adımları tarafından ışık enerjisinin emilmesinden kaynaklanan kayıptır. Örneğin, 1,39 μm'de, OH- iyon konsantrasyonu 1 × 10⁻⁶ olduğunda zayıflama 60 dB/km'dir.

Saçılma kaybı

Saçılma kaybı, ışık enerjisini optik fiberden saçılma şeklinde yayan kayıptır. Bunun nedeni, lif içindeki-üniform olmayan yoğunluktur. Optik fiberlerdeki saçılma kaybının ana türleri arasında Rayleigh saçılımı, Mie saçılımı, uyarılmış Brillouin saçılımı, uyarılmış Raman saçılımı, ek yapısal kusurlar ve bükülme saçılımı ve sızıntı saçılımı bulunur.

Optik fiber üretimi sırasında, erimiş camdaki moleküllerin termal hareketi, yapısındaki yoğunluk ve kırılma indisinde dalgalanmalara neden olur ve bu da ışığın saçılmasına neden olur. Işığın dalga boyundan çok daha küçük parçacıkların neden olduğu saçılmaya Rayleigh saçılması denir; Işıkla aynı dalga boyundaki parçacıkların neden olduğu saçılmaya Mie saçılması denir.

Rayleigh saçılması, lif kaybının ana nedenidir. Rayleigh saçılımı, kısa dalga boyunun 1/λ'sı ile orantılı olma özelliği gösterir, yani R=K/λ. Orantı sabiti K, camın yapısı ve bileşimi ile ilgilidir. Genel olarak cam geçiş sıcaklığı ne kadar yüksekse ve bileşimi ne kadar karmaşıksa Rayleigh saçılım kaybı da o kadar büyük olur.

Rayleigh saçılımı gelen ışığın yoğunluğundan etkilenir. Uyarılmış Brillouin saçılımı ve uyarılmış Raman saçılımı ise ışık enerjisi yoğunluğunun belirli bir yüksek değeri aşması durumunda ortaya çıkar ve ışık ile ortam arasındaki etkileşimle üretilir.

Ek kayıplar

Ek kayıplar (veya uygulama kayıpları), fiberin makro-bükülmesine ve mikro-bükülmesine neden olan inşaat, kurulum ve işletme sırasında fiber bükülmesi veya yanal basınçtan kaynaklananlar gibi dış kaynaklardan kaynaklanan kayıplardır.

Lif kaybının nedenleri Şekilde özetlenmiştir.:

Optik fiberlerin dağılım özellikleri

Fizikte dağılım, farklı renkteki ışığın şeffaf bir ortamdan geçtikten sonra dağılması olgusunu ifade eder. Bir beyaz ışık demeti prizmadan geçtikten sonra yedi-renkli bir banda bölünür. Bunun nedeni, camın farklı renkler (farklı frekanslar veya farklı dalga boyları) için farklı kırılma indislerine sahip olmasıdır. Dalga boyu ne kadar uzunsa (veya frekans ne kadar düşükse), camın kırılma indisi o kadar düşük olur; dalga boyu ne kadar kısaysa (veya frekans ne kadar yüksekse), kırılma indisi o kadar yüksek olur. Başka bir deyişle, camın kırılma indisi ışık dalgasının frekansının (veya dalga boyunun) bir fonksiyonudur. Farklı renklerden oluşan beyaz ışık, kırılma yasasına (n=sinθ/n²) göre aynı θ açısıyla geldiğinde, farklı n² değerlerinden dolayı farklı ışık renkleri farklı kırılma açılarına sahip olacak, böylece ışığın farklı renkleri ayrılarak dağılıma neden olacaktır. n=c/n (burada c, ışığın hızıdır, c=3 × 10⁻⁶ m/s) olduğundan, ışığın farklı renklerinin camın içinde farklı hızlarda ilerlediği açıktır.

Optik fiber yayılım teorisinde "dağılım" teriminin anlamı genişletildi. Optik fiberlerde sinyaller birçok farklı mod veya frekanstaki ışık dalgaları tarafından taşınır ve iletilir. Sinyal terminale ulaştığında, ışık dalgalarının farklı modları veya frekansları iletim gecikmesi farklılıkları yaşar ve bu da sinyal bozulmasına neden olur. Bu olguya topluca dağılım adı verilir. Dijital sinyaller için dağılım, fiberde belirli bir mesafeye yayıldıktan sonra darbenin genişlemesine neden olur. Ciddi durumlarda, ardışık darbeler üst üste gelecek ve semboller arası girişim oluşturacaktır. Bu nedenle dağılım, optik fiberin iletim bant genişliğini belirler ve sistemin iletim hızını veya tekrarlayıcı mesafesini sınırlar. Dağılım ve bant genişliği, farklı perspektiflerden açıklanan optik fiberlerin aynı özellikleridir.

Dispersiyonun nedenlerine bağlı olarak, optik fiber dispersiyonu temel olarak aşağıdakilere ayrılır: aşağıda tanıtılacak olan modal dispersiyon, malzeme dispersiyonu, dalga kılavuzu dispersiyonu ve polarizasyon modu dispersiyonu.

Mod Dağılımı

Modal dağılım genellikle çok modlu fiberlerde mevcuttur. Çok modlu bir fiberde birden fazla mod bir arada bulunduğundan ve fiber ekseni boyunca farklı modların grup yayılma hızları farklı olduğundan, bunlar kaçınılmaz olarak terminale farklı zamanlarda varacak, zaman gecikmesi farkına neden olacak ve modlar arası dağılım oluşturarak darbe genişliğinin genişlemesine neden olacaktır. Modal dağılıma bağlı darbe genişlemesi Şekil 2-10'da gösterilmektedir. İdeal bir tek- modlu fiber için, yalnızca bir mod (temel mod - LP veya HE modu) iletildiğinden, modal dağılım yoktur, ancak polarizasyon modu dağılımı mevcuttur.

Şimdi, bir adım-indeksli çok modlu fiberin maksimum modal dağılımını tahmin ediyoruz. Adım-indeksli çok modlu bir fiberin modal dağılımı Şekil 2-11'de gösterilmektedir. Adım-indeksli çok modlu bir fiberde, en hızlı ve en yavaş yayılan iki ışın, sırasıyla eksen boyunca yayılan ışın ① ve 0 derecelik kritik açıyla gelen ışın ②'dır. Bu nedenle, adım indeksli çok modlu bir fiberde maksimum mod dağılımı, ışın ② (Tmaks) tarafından geçen süre ile ışın ① (Tmin) tarafından terminale ulaşmak için geçen süre (ΔT) arasındaki zaman farkıdır._mux: ΔT_mux = T_maksimum / T_dk.

Geometrik optiğe göre, L uzunluğundaki bir optik fiberde, ① ve ② ışık ışınlarının eksenel yön boyunca hızları sırasıyla c/n ve sinθ·c/n olsun. Bu nedenle, optik fiberin modal dağılımı ...

Zayıf yönlendirilmiş optik fiberlerde (n'nin olduğu fiberler)_ive n_içok az farklılık gösterir), A=(n_i- n)/n. Eğer Δ=1%, n_iSilika optik fiberler için=1.5 ve fiber uzunluğu 1 km ise maksimum modlar arası dağılım ΔT_m50 ns olarak hesaplanabilir. Bu nedenle, fiber uzunluğu ne kadar uzun olursa, modlar arası dispersiyonun da o kadar şiddetli olacağı açıktır; ve bağıl kırılma indisi farkı Δ ne kadar büyük olursa, modlar arası dağılım da o kadar şiddetli olur.

Malzeme dağılımı

Optik fiber malzemelerin kırılma indisi ışığın dalga boyuna göre değiştiğinden, optik sinyalin farklı frekanslarının grup hızı farklılık gösterir ve malzeme dağılımı olarak bilinen bir olay olan iletim gecikme farkına neden olur. Bu dağılım, optik fiber malzemenin kırılma indisinin dalga boyu özelliklerine ve ışık kaynağının çizgi genişliğine bağlıdır.

Dijital fiber optik iletişim sistemlerinde gerçek ışık kaynağından çıkan ışık tek bir dalga boyunda olmayıp belirli bir spektral çizgi genişliğine sahiptir. Fiber malzemenin kırılma indisi dalga boyunun bir fonksiyonu olduğundan, içindeki ışığın yayılma hızı (λ)=c/n(λ) da dalga boyuna göre değişir. Belirli bir spektral çizgi genişliğine sahip bir ışık kaynağı tarafından yayılan bir ışık darbesi, tek-modlu bir fibere geldiğinde ve yayıldığında, farklı dalga boylarındaki ışık darbeleri farklı yayılma hızlarına sahip olacak, bu da çıkış ucuna ulaştıklarında bir zaman gecikmesi farkına neden olacak ve dolayısıyla darbe genişlemesine neden olacaktır. Bu, malzeme dağılım mekanizmasıdır.

Grup hızının u=da/dB olduğu biliniyorsa, birim uzunluk başına grup gecikmesi T=1/v,=n,/c olur. Bu nedenle, L uzunluğundaki bir optik fiberin malzeme dağılımı ...

Formülde c, ışığın boşluktaki hızıdır; λ fiber çekirdeğinin kırılma indisidir; λ ışığın dalga boyudur; ve Aλ, ışık kaynağının spektral çizgi genişliğidir; burada Aλ=λ - λ, A'da merkezlenen dalga boyu aralığını temsil eder. Genel olarak dağılım katsayısı, dağılımın büyüklüğünü ölçmek için kullanılır. Dağılım katsayısı D (birim: ps/(nm·km)) şu şekilde tanımlanır:

Dispersiyon katsayısının, birim optik fiber uzunluğunda yayılan birim spektral çizgi genişliğine sahip bir ışık kaynağının neden olduğu dağılım olduğu görülebilmektedir. Optik fiberin malzeme dağılım katsayısı biliniyorsa, malzeme dağılımı ΔTm=DmAAL olarak kolaylıkla hesaplanabilir.

Örnek 2-1: 1,31 m dalga boyunda bir optik fiberin maksimum malzeme dağılım katsayısının D=3.5ps/(nm·km) olduğunu varsayalım. Merkez dalga boyu 1,31 µm olan bir yarı iletken lazer, λ=4nm spektral çizgi genişliğine sahip iletim ışığı üretmek için kullanılıyorsa, 1 km uzunluğundaki optik fiberde yayılan bu ışığın neden olduğu malzeme dağılımını hesaplayın.

Çözüm: Optik fiberin malzeme dağılımı şu şekilde kolayca hesaplanabilir:

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

Örnek 2-1'de görüldüğü gibi, malzeme dağılımı nispeten küçüktür, hatta adım indeksli çok modlu bir fiberin modal dağılımından bile daha küçüktür. Bir optik fiberin dağılım katsayısının (sadece malzeme dağılım katsayısının değil) pozitif veya negatif olabileceğine de dikkat edilmelidir. Optik fiberde grup gecikmesi (A) taşıyıcı dalga boyuyla birlikte artar; yani dalga boyu kısa olan ışık dalgaları daha hızlı yayılır. Bu durumda dağılım katsayısı negatif olur, buna negatif dağılım denir; tersine, daha uzun dalga boyuna sahip ışık dalgaları, daha kısa dalga boyuna sahip ışık dalgalarından daha yavaş yayılır.

Burada dağılım katsayısı pozitiftir, buna pozitif dağılım denir. Açıkçası, zıt dağılım katsayısı işaretlerine sahip iki optik fiber birbirine kaynaştırılırsa malzeme dağılımı iyileştirilecektir.

dalga kılavuzu dağılımı

Dalga kılavuzu dağılımı ΔTw, bir optik fiberdeki belirli bir yönlendirilmiş modu ifade eder. Farklı dalga boyları farklı faz sabitlerine sahiptir, bu da farklı grup hızlarına ve dolayısıyla dağılıma neden olur. Dalga kılavuzu dispersiyonu aynı zamanda optik fiberin yapısal parametreleri ve çekirdek ile kaplama arasındaki bağıl kırılma indisi farkı gibi çeşitli faktörlerle de ilgilidir; bu nedenle yapısal dağılım olarak da adlandırılır.

Polarizasyon modu dağılımı

Polarizasyon modu dağılımı, tek-modlu optik fiberlere özgü bir dağılım türüdür. Tek-modlu fiberler aslında iki karşılıklı dik polarizasyon modunu ilettiği için, elektrik alanları sırasıyla x ve y yönleri boyunca polarize olur.

Fiber optik bant genişliği

Optik fiberlerin dağılımı ve bant genişliği aynı özelliği tanımlar. Aslında dağılım, bir ışık darbesinin iletimden sonra zaman ekseni boyunca ne kadar genişlediğini tanımlar; Bu, fiberin zaman alanındaki özelliklerinin bir açıklamasıdır. Bant genişliği ise frekans alanındaki bu özelliği tanımlar. Frekans alanında, modülasyonlu bir sinyal için optik fiber, bir alçak-geçiren filtre olarak düşünülebilir. Modülasyon sinyalinin yüksek-frekans bileşenleri bunun içinden geçtiğinde ciddi şekilde zayıflarlar. Yani, giriş sinyalinin (modüle edici sinyal) genliği sabit kalırsa, ancak yalnızca frekans değişirse, fiber üzerinden iletildikten sonra çıkış sinyalinin genliği, modüle edici sinyalin (giriş sinyali) frekansıyla birlikte değişecektir. TTU-T, bir optik fiberin bant genişliğinin [kilometre başına bant genişliği] olarak belirtilmesini önerir.