Atenuarea fibrei optice

Atenuarea se definește ca orice fel de fenomene care cauzează scăderea puterii semnalului propagat și care nu au nicio influență asupra formei acestuia.

Pentru descrierea matematică a pierderilor de putere din fibra optică cauzate de atenuare se utilizează parametrul numit atenuare unitară a, calculată pe o lungime de 1 km. Aceasta este indicată în dB/km și se calculează folosind formula:

P(l₁) și P(l₂) – puterea optică calculată în fibra optică în punctele l₁ și l₂ care se găsesc la o distanță de L

Atenuarea crește exponențial împreună cu creșterea lungimii fibrei, limitând prin aceasta distanța de transmisie. Creșterea atenuării cu 3 dB corespunde unei scăderi a puterii semnalului propagat cu 50%.

Pierderea puterii datorată atenuării este cauzată de proprietățile fizice ale materialului miezului și de pierderile sinusoidale care rezultă din construcția fibrei optice (Fig. 1). La pierderile materiale se includ orice tipuri de absorbții și dispersie. Pierderile sinusoidale sunt în schimb pierderi ale energiei cauzate printre altele de micro îndoiri și macro îndoiri, neuniformitatea distribuției coeficientului de refracție în zona miez-căptușeală sau variații ale diametrului sau a formei în această zonă.

Absorbția este un fenomen care constă în transmiterea energiei undelor electromagnetice către materialul central în care unda se propagă (fig. 2). Această energie este apoi disipată sub formă de vibrații ale particulelor (în mare parte vibrații termice) sau prin emisie. Energia poate fi absorbită de către particulă numai în porții clar stabilite (cuanți), care sunt determinate de frecvența undei electromagnetice ν. Absorbirea fotonului duce la transmiterea energiei necesare pentru inducerea particulei pe un nivel energetic mai mare, micșorând totodată fluxul de lumină.

În fibrele optice utilizate în telecomunicații și în sistemele multimedia cel mai important rol îl are absorbția prin poluare, mai ales ionii -OH. Mai puțin importantă este absorbția prin infraroșu și absorbția în intervalul UV.

Pentru lungimile de undă 0,95 μm și 1,38 μm o influență decisivă asupra pierderilor optice o are prezența de ioni -OH, pentru care apare a doua și respectiv a treia oscilație armonică. La lungimea de undă 1,23 μm se suprapun vibrațiile ionilor -OH cu legăturile Si-O, Cu²⁺, Fe²⁺, Cr³⁺ și H₂ (fig. 1 – B). Prezența de ioni -OH este cauzată de impurificarea cu aburi de apă în timpul procesului de producție. Adăugarea de substanțe adecvate pentru amestecare va influența nu numai coeficientul de refracție a luminii n, dar și creșterea absorbției (fig. 3).

Fig. 3. Dependența atenuării unitare [a] de schimbarea coeficientului de refracție a luminii Δn în fibra optică unimodală la o lungime de undă de 1 μm

Absorbția în ultraviolet atinge maximul la o lungime de undă 0,2 μm. Aceasta se leagă de lovirea de către fotoni a electronilor de valență către banda de conducere. Pentru lungimile de undă mai mari de 0,8 μm absorbția în UV este ignorată (Fig. 1 - C).

Din proprietățile sticlei de cuarț rezultă și faptul că, odată cu creșterea lungimi de undă peste 1,6 μm crește și absorbția în infraroșu (Fig. 1-D) La lungimea de undă de 9 μm, structurile cristaline Si0₂ intră în rezonanță, ca urmare a cărui fapt atenuarea este maximă și fibra optică nu mai este transparentă.

Dispersia constă în schimbarea direcției de propagare a fluxului cauzată de lipsa omogenității la nivel molecular a materialelor.
Rola de bază în cadrul fibrelor optice utilizate în telecomunicații și multimedia o are dispersia Rayleigh; apar de asemenea fenomene de dispersie Mie dispersiile forțate Raman și Brillouin.

Cauzele fenomenului de dispersie Rayleigh (RR) sunt lipsurile de omogenitate ale materialului miezului (cauzate de imperfecțiunea structurii sticlei) de dimensiuni mult mai mici decât 0,03 λ. RR este invers proporțional cu lungimea de undă de lumină la puterea a patra (fig. 1 -A), stabilind așadar limitele de utilitate a fibrelor optice cu cuarț pentru unde mai mici de 0,7 μm. Atenuarea dependentă de RR (a_R) este prezentată cu ajutorul formulei:

k – constantă materială cuprinsă în intervalul 0,7 și 0,8 (în funcție de numărul de aditivi)

RR are loc la modul următor: componenta electrică a undei electromagnetice incidente induce momentul electric dipol care vibrează în cadrul frecvenței acestei unde. Dipolul absoarbe cuantul de lumină, după care îl emite imediat cu o frecvență egală cu frecvența de vibrații a dipolului, deci și a undei incidente (fig. 4). Direcția de dispersie a undei este aleatorie, dar probabilitatea ca undele să fie propagate paralel cu axa dipolului este foarte mică.

Dispersia Mie (RM) are loc când unda de lumină este dispersată pe particule sau grupuri de molecule de dimensiuni asemănătoare sau mai mari decât lungimea undei. Acest proces nu depinde direct de lungimea de undă dispersată, ci de produsul dimensiuni particulei și a lungimii de undă. Este definit prin parametrul α.

r – raza particulei

Dacă dimensiunea particulei este comparabilă cu lungimea de undă, atunci dispersia este (aproximativ) egală în toate direcțiile. Împreună cu creșterea valorii produsului r/λ crește și asimetria în dispersia observată (fig. 5). În cazul în care r>>λ, domină dispersia în direcția în care se propagă unda (dispersie frontală), iar schimbarea lungimi de undă incidente este de fapt ignorabilă.

Fig. 5. Dispersia Mie. Dispersia cauzată de imperfecțiunile materialului miezului fibrei optice: A) – comparabile/mai mari decât lungimea undei luminoase, B) – mult mai mari decât lungimea undei luminoase

Prin îmbunătățirea procesului tehnologic de producție a fibrelor optice am reușit (într-un mod satisfăcător) să eliminăm bulele de gaze, impuritățile de elemente dominante, adică cristaliții. Din acest motiv pierderile cauzate de RM au fost reduse la valori de tipul 0,03 dB/km.

Dispersia forțată Brillouin (SBS) și dispersia forțată Raman (SRS) sunt fenomene nelineare. Interacțiunea dintre unda electromagnetică și materialul central are loc după depășirea limitei maxime de putere optică.

SBS apare atunci când în fibrele optice sunt transmise moduri cu o putere optică de mai mulți mW. Apare atunci unda de retur, adițional - prin intermediul materiei centrale - are loc transmiterea energiei fotonilor către fotoni acustici (fonomi). De asemenea, are loc schimbarea frecvenței modului condus cu:

n – coeficientul de refracție a luminii
ν – viteza undei sonore în materia centrală

SRS apare după depășirea puteri optice de aproximativ 1 W și constă în reacțiunea modurilor de conducere cu vibrațiile moleculare ale materialului central. Lumina se dispersează și transmite un cuant din energia fotonului particulei care se dispersează, schimbându-și de asemenea frecvența. Urmare a acestui fapt este micșorarea puterii optice a modurilor cu frecvențe mai mari (modurile de sondare) și creșterea puterii (pomparea) undei cu o frecvență mai mică decât frecvența lui Stokes. În fibrele optice cu siliciu, ambele unde cu o diferență de frecvență de aproximativ 15 THz vor fi comprimate prin intermediul SRS.

O altă sursă de pierdere este îndoirea fibrei, atât din punct de vedere microscopic cât și macroscopic.

Unda care se propagă de-a lungul fibrei optice și întâlnește un „cot” ajunge la limita dintre căptușeală și miez sub alt unghi decât unghiul drept care este normal pentru fibra optică. Când unghiul de incidență este mai mic decât unghiul limită, fenomenul de reflexie interioară absolută nu mai are loc. Modurile conduse au fost parțial transformate în moduri radiante, ca urmare a cărui fapt are loc o pierdere în afara miezului fibrei optice, precum și în afara căptușeli acesteia (fig. 4) O parte din energie este așadar pierdută.

Pierderile apărute în cadrul îndoirilor nu pot fi evitate, acestea pot fi minimizate prin reducerea numărului de îndoiri, iar în locurile în care acestea sunt necesare - prin utilizarea unor forme de îndoire cu raza de îndoire cât mai mare. Fiecare producător de fibre optice informează asupra razei minime de îndoire, care trebuie luată în considerare în momentul amplasări cablului. Acesta este un parametru care nu trebuie schimbat, pentru a nu înrăutăți radical parametri fibrei optice.

Micro-îndoirile apar încă în timpul procesului de fabricare a fibrelor. Sub această concepție se ascund tot tipul de iregularități aflate la limita dintre miez și căptușeală, care au un caracter atât aleatoriu (micro-crăpături, cumulări de amestecuri, bule de gaz), cât și ciclic (de exemplu schimbarea diametrului sau a geometriei miezului și micro-crăpături apărute ca urmare a creșterii periodice a apăsării în timpul rolării fibrei pe tambur).

Micro-îndoirile în fibrele optice multimodale duc la cuplarea modurilor și conversia energiei acestora care este direcționată către modurile de radiație. În fibrele optice unimodale acestea sunt cauza replicări modului.