Dämpning av fiberoptisk tråd

Dämpning är varje typ av fenomen som resulterar i minskning av den utbredda signalens effekt, som inte påverkar dess form.

En parameter av enhets dämpning a används i den matematiska beskrivningen av effektförluster i den optiska fibern som orsakas av dämpning, mätts på en sträcka av 1 km. Den uttrycks i dB/km och bestäms med formeln:

P(l₁) och P(l₂) – optisk effekt som mätts i den optiska fibern i punkter l₁ och l₂ som ligger på avstånd L från varandra

Dämpningen ökas exponentiellt med ökning av fiberlängd, vilket samtidigt minskar överföringsräckvidd. Dämpningens ökning med 3 dB motsvarar strömfallet i den utbredda signalen med 50%.

Effektförluster orsakade av dämpning består av fenomen baserade på material, i samband med de fysikaliska egenskaperna hos kärnmaterialet och förluster i vågledare, till följd av den optiska fiberns struktur (bild 1). Materiella förluster omfattar alla typer av absorptioner och dispersion. Förluster i vågledare är energiförlust orsakad bland annat av mikro- och makroböjningar, olikformig fördelning av brytningsindex vid gränsen av kärnan och manteln eller fluktuationer i diametern eller formen av denna gräns.

Absorption är ett fenomen som går ut på att överföra energi av en elektromagnetisk våg till materialets centrum där vågen dispergeras (bild. 2). Denna energi avges senare i form av partikeloscillationer (primärt termiska oscillationer) eller genom emission. Energi kan absorberas av en partikel endast i strikt specificerade delar (quantum) som bestäms av den elektromagnetiska vågens frekvens ν. Fotonabsorption orsakar överföring av energi som krävs för att inducera en partikel till den högre energinivån, vilket samtidigt minskar ett ljusflöde.

I optiska fibrer inom telekommunikation och multimedia spelar absorption genom kontaminering, särskilt -OH joner, den största rollen. Mindre betydelse har absorption i infrarött ljus och absorption i UV-område.

För vågor med längd på 0,95 μm och 1,38 μm utövas en avgörande påverkan på optiska förluster av närvaron av -OH joner där det finns respektive den tredje och andra övertonen. För våglängden 1,23 μm överlappas -OH jonsvängningar med bindningar Si-O, Cu²⁺, Fe²⁺, Cr³⁺ och H₂ (bild 1 – B). Förekomst av -OH joner är återstoden efter kontaminering med vattenånga under tillverkningsprocessen. Genom att lägga till lämpliga tillsatser, är det möjligt att påverka förändring av brytningsindex n samt ökning av absorption (bild 3).

Bild 3. Beroendet av enhets dämpning [a] på förändring av brytningsindex Δn i singelmod optisk kvartsfiber vid våglängd 1 μm

Absorption i ultraviolett når maximal nivå vid våglängden 0,2 μm. Det hänger samman med utstötning av valenselektroner genom fotoner till ledningsbandet. För vågor längre än 0,8 μm är absorption i UV försumbar (bild 1 - C).

Egenskaper hos kvartslagret visar att med ökning av våglängden över 1,6 μm ökas absorptionen i infraröd (bild 1 - D). Vid våglängden 9 μm, kristallstrukturer Si0₂ utsätts för resonans, vilket resulterar i maximal dämpning och en optisk fiber slutar att vara transparent.

Spridning är ändring av den propagerade strålningens riktning orsakad av oenhetligheter i material på partikelnivån.
En dominerande roll i optiska fibrer inom telekommunikation och multimedia spelar Rayleigh-spridning, det förekommer även fenomen för Mie-spridning och stimulerade Raman- och Brillouin-spridningar.

Orsaken till förekomst av Rayleigha-spridning (RR) är oenhentligheter i kärnans material (orsakade av glasstrukturens imperfektion) med dimensioner betydligt mindre än 0,03 λ. RR är omvänt proportionell mot ljusvåglängd upphöjd till fyra (bild 1 - A), vilket bestämmer gränsen för användning av optiska kvartsfibrer för vågor kortare än 0,7 μm. Dämpning som beror på RR (a_R) beskrivs av formeln:

k – materialkonstant inom området 0,7 till 0,8 (beroende på mängd tillsatser)

RR förekommer på följande sätt: en elektrisk beståndsdel av den infallande elektromagnetiska vågen inducerar ett elektriskt dipolmoment som oscillerar med vågens frekvens. En dipol absorberar ett ljuskvantum och avger det omedelbart med frekvensen lika med dipolens och den infallande vågens oscillationsfrekvens (bild 4). Riktningen för den propagerade vågen är slumpmässig men det är mindre trolig att vågorna parallella med dipolaxeln kommer att avges.

Mie-spridning (RM) förekommer när en ljusvåg sprids mot partiklar eller molekylgrupper med storleken jämförbar med eller större än våglängden. Denna process hänger inte direkt med längden på den spridda vågen men med kvoten av partikelstorleken och våglängden. Den beskrivs med parameter α.

r – partikelns radie

När en partikelstorlek är jämförbar med våglängden, sprids den (approximativt) i alla riktningar. Med ökning av kvotvärdet r/λ ökar asymmetri i spridningen som följs (bild 5). Om r>>λ råder spridning i den riktning som överensstämmer med den våg som sprids (framåt spridning) och ändring av den infallande vågen är nästan försumbar.

Bild 5. Mie-spridning. Spridning på brister i material i den fiberoptiska kärnan som är: A) – jämförbara/större än ljusvåglängd, B) – betydligt större än ljusvåglängd

Genom att förbättra den tekniska processen för tillverkning av optiska fibrer, lyckades att eliminera (i stor utsträckning) gasbubblor samt grupper av tillsatsämnen eller kristalliter; vilket minskat effektförluster förorsakade av RM till ett värde på 0,03 dB/km.

Stimulerad Brillouin-spridning (SBS) och stimulerad Raman-spridning (SRS) är icke linjära fenomen. Interaktion mellan den elektromagnetiska vågen och centrets material sker efter att ha överskridit gränsvärdet för optisk effekt.

SBS inträffar när i fiberoptiska kablar finns moder med den optiska effekten på dussintals mW. Då bildas en omvänd våg och fotonernas energi överförs av centrets material till akustiska fotoner. Dessutom flyttas frekvensen på moden med:

n – brytningsindex
ν – hastighet hos en ljudvåg i centrum

SRS förekommer efter att ha överskridit den optiska effekten på 1 W och går ut att på att moder som förs med molekylära vibrationer påverkar centrets material. Det spridda ljuset överför fotonenergins kvantum till den spridande partikeln och ändrar sin frekvens. Till följd minskas den optiska effekten på mode med högre frekvens (sonderingsmode) och ökas effekten (pumpning) för våg med frekvens lägre än Stokesfrekvensen. I kisel-baserade optisk fiber ska alla två vågor med frekvensskillnad på 15 THz vara kopplade med varandra med SRS.

En annan källa till förluster är trådböjningar både i makro- och mikroskala.

En våg som propagerar längs den optiska fibern och kommer till en böjning faller på gränsen mellan manteln och kärnan mot en annan vinkel än på fiberns raka sträcka. Om infallsvinkel är mindre än gränsvinkeln förekommer inget fenomen för totala inre reflektion. De moder som förs konverteras delvis till strålningsmoder vilket leder till refraktion ovanför den optiska fiberkärnan och ovanför manteln (bild 4). En del av energin förloras.

Det går inte att undvika förluster på böjningar, de kan minskas genom reducering av deras antal och på platser där de är nödvändiga genom att använda böjningar med möjligast största böjradie. Varje tillverkare av optiska fibrer anger minimal böjradie som ska tas hänsyn till vid kabelläggning. Det är en parameter som inte ska ändras för att inte försämra kabelns parametrar.

Mikroböjningar uppstår under tillverkning av trådar. Det är alla typer av oegentligheter inom formen på gränsen mellan kärnan och manteln som är tillfälliga (mikrosprickor, grupper av tillsatser, gasbubblor) samt cykliska (t.ex. ändringar i diameter eller geometri hos kärnan eller mikrosprickor bildade genom periodisk ökning av spänning under lindning av fibern på trumman).

Mikroböjningar på multimode optiska fibrer orsakar koppling av moder och konvertering av modernas energi som leds till strålningsmoder. I singelmode optiska fibrer orsakar modens suddighet.