TopTeknisk ordlisteDemping av optisk fiber

Demping av optisk fiber

For dempning kaller man alle typer fenomen som resulterer i reduksjon av forplantet signaleffekt uten å påvirke formen på den.

 

Til matematisk beskrivelse av effekttap på optisk fiber, forårsaket av demping, bruker man parameter kalt for enhetsdempning a, målt på en strekning på 1 km. Den uttrykkes i dB/km og betegnes av følgende formel:

 

P(l1) og P(l2) – optisk effekt målt i optisk fiber på punkter l1 og l2 der avstand mellom disse to er L

 

Dempning stiger eksponentielt til økning av fiberlengden, ved samtidig å redusere overføringsrekkevidden. Økning i dempningen på 3 dB tilsvarer til 50% effektfall på signalet.

 

Effekttap forårsaket av dempning inkluderer fenomener basert på materiale knyttet til kjernematerialets fysiske egenskaper og bølgeleder tap, som følge av den optiske fiberstruktur (Fig. 1). Materielle tap omfatter alle typer absorpsjoner og spredning. Bølgeleder tap er energitap forårsaket blant annet av mikro-bøyninger og makro-bøyninger, ujevn fordeling av lysbrytning koeffisient på grensen av kjerne og kledning eller fluktuasjoner i diameter eller form av grensen.

 

Fig. 1. Avhengighet av enhetsdempning [a< i>] fra bølgelengde λ i kvarts single-modus optisk fiber.

 

I II III – overføringsvinduer

A - Rayleigh-spredning

B - absorpsjon i hydroksylioner

C - absorpsjon i ultrafiolett

D - absorpsjon i infrarød

E - tap på bølgelengde

Absorpsjon er et fenomen som består i overføring av effekt fra elektromagnetisk bølge til materialet som bølgen sprer seg inn (fig.2). Energien blir deretter tapt i form av partikelvibrasjoner (hovedsakelig varmevibrasjoner) eller utslipp. Energien kan bli absorbert av en partikkel kun i nøyaktig detaljerte doser (kvanter) som defineres av frekvensen på elektromagnetisk bølge ν. Absorpsjon av foton forårsaker overføring av energi som trengs til å sette partikkelen på et høyere energinivå, ved samtidig å forminske lysstrålen.

 

Fig. 2. Absorpsjon

 

- fotonenergikvant

E0 - grunnleggende energinivå

E1 - hevet energinivå

I optiske fibre innen telekommunikasjon og multimedier spiller forurensningsabsorpsjon, især ioner -OH den viktigste rollen. Infrarødabsorpsjon og absorpsjon i område UV er av mindre betydning.

 

For bølger med lengde på 0,95 μm og 1,38 μm er det -OH ioner som spiller en avgjørende rolle for optiske tap. For ionene forekommer det respektivt den tredje og andre harmonisk oscillator. Ved bølgelengde på 1,23 μm blir forekommer det overlapping av vibrasjoner på -OH ioner med Si-O forbindelser, Cu2+, Fe2+, Cr3+ og H2 (fig. 1 – B). -OH ioner er en konsekvens av forurensning med vanndamp under produksjonsprosessen. Ved å tilsette riktige blandingsstoffer, påvirker man både lysbrytningskoeffisient n og økning av absorpsjon (fig. 3).

 

Fig. 3. Forhold mellom enhetsdempning [a] avhengig av lysbrytningskoeffisient Δn optiske fiber av kvarts ved bølgelengde på 1 μm

 

Ultrafiolettabsorpsjon når maksimale verdier ved bølgelengde på 0,2 μm. Dette henger sammen med destruksjon av valenselektroner av fotoner til overføringsbåndet. For bølger som er lengre enn 0,8 μm er UV absorpsjonen uvesentlig (fig. 1 – C).

 

Egenskaper til kvartsglass gjør at på linje med økning av bølgelengden over 1,6 μm øker infrarødabsorpsjon (fig. 1 – D). Ved bølgelengde på 9 μm begynner krystallstrukturer Si02 å resonnere, noe som gir maksimal dempning og optisk fiber blir ikke lenger transparent.

 

Spredning betyr endring av forplantet stråleretning som er forårsaket av materialets ufullkommenhet på partikkelnivå. Rayleighs spredning spiller dominerende rolle i optiske fiber innen telekommunikasjon og multimedier. Det er også aktuelt med fenomener som Mie spredning og tvunget Ramans og Brilloiuns spredning.

 

Årsaken til Rayleighs spredning (RR) ligger i manglende homogenitet av kjernematerialet (forårsaket av ufullkommen glasstruktur) med dimensjoner som er mye mindre enn od 0,03 λ. RR er omvendt proporsjonal til fjerde potens av lysbølgen (fig. 1 – A), noe som samtidig definerer bruksgrensen for optiske fiber av kvarts for bølger som er kortere enn 0,7 μm. Dempningsverdi avhengig av RR (aR) beskrives av følgende formel:

 

k – materialkonstant som likker i området 0,7 til 0,8 (avhengig av mengde tilsetninger)

 

RR foregår på følgende måte: en elektrisk bestanddel av den fallende elektromagnetiske bølgen induserer oscillerende elektrisk dipolmoment med bølgefrekvensen. Dipolen absorberer lyskvantet og omdanner den umiddelbart med frekvens lik den dipole oscillasjonsfrekvens og den fallende bølgen (fig. 4). Retningen av den spredte bølgen er tilfeldig, men det er mindre sannsynlig at bølger sendes parallelt med dipol-aksen.

 

Fig. 4. Rayleighs spredning

 

A - fallende bølge

B - spredende dielektrisk partikkel (mindre enn lengden på lysbølgen)

C - passerer bølge (for å opprettholde åpenhet i tegningen, blir retningsendring av lysets bølgeutbredelse ikke tatt i betraktning)

D - spredte bølger

λ[const] - bølgelengde

Mie spredning (RM) finner sted når lysbølgen spres på partikler eller molekylegrupper med størrelse som er sammenliknbar elle større enn bølgelengden. Prosessen er ikke direkte knyttet med lengden på den spredte bølgen, men med kvotient av partikkeldimensjonen og bølgelengden. Den beskrives med parameter α.

 

r – partikkelradius

 

Når partikkeldimensjonen er sammenlignbar med bølgelengden, er spredning (mer eller mindre) jevn i alle retninger. På linje med økning av kvotientverdien r/λ øker asymmetri i spredningen (fig. 5). I tilfelle r>>λ, er det spredning i retning på linje med den spredte bølgen (framover) som dominerer, mens endring på lengden av falle bølgen er uvesentlig.

 

Fig. 5. Mie spredning. Spredning på kjernematerialets ufullkommenhet: A) – sammenliknbare/større en lengde på lysbølgen, B) – betydelig større en lenge på lysbølgen

 

Ved å utbedre den teknologiske prosessen brukt i produksjon av optiske fibre ble det mulig å eliminere gassbobler (i betydelig grad), grupper av blandingsstoffer eller krystallier, slik at effekttap forårsaket av RM ble redusert til verdi på 0,03 dB/km.

 

Tvunget Brillouins spredning (SBS) og tvunget Ramans spredning (SRS) er ikke lineære fenomener. Interaksjon mellom elektromagnetisk bølge og sentermaterialet finner sted dersom grenseverdien på optisk effekt blir overskredet.

 

SBS dukker opp når det finnes optisk effektmoder i optiske fibre på dusenvis av mW. På denne måten oppstår det en returbølge, og fotonenergien blir overført til akustiske fotoner gjennom sentermaterialet. I tillegg blir frekvensen på modus flyttet med:

 

n – lysbøyningskoeefisient
ν – hastigheten på lydbølgen i senteret

 

SRS dukker opp etter at optisk effekt på 1W er blitt overskredet, og består i interaksjon mellom modi og molekylevibrasjoner på sentermaterialet. Lys som undergår spredning, overfører kvant av fotonenergi til en spredende partikkel og endrer sin frekvens. Som følge blir optisk effekt på modi med høyere frekvens redusert (sonderende moder) og bølgeeffekten blir økt (pumping) i tilfelle bølger med en lavere frekvens enn Stokes frekvens. I optiske fiber av silisium blir alle to bølger med frekvensforskjell på 15 THz kombinert gjennom SRS.

 

Neste kilde for tap er fiber bøyninger både i makro- og mikro-skala.

 

En bølge som forplanter seg langs den optiske fiber og støter på en bøyning, faller på grensen mellom kledningen og kjernen med en annen vinkel enn en rett fiberoptisk seksjon. Når fallevinkelen er mindre enn grensevinkelen, forekommer ikke fenomen av en totalt intern refleksjon. Modi blir delvis omdannet til strålingsmodi som resulterer i brytning utover den optiske fiberkjernen og utover kledningen (fig. 4). En del av energien blir altså tapt.

 

Fig. 4. Tap (lekkende modi) som har oppstått på fiberens bøyesteder – makrobøyninger

 

Θ - fallevinkel av fronten på lysbølgen på grensen mellom kjerne og kledning i bøyning av optisk fiber.

Θg - grensevinkel for en total intern refleksjon

Tap som oppstår ved bøying er uunngåelige. De kan bli minimalisert ved at man reduserer antall bøyninger og på de steder der bøyning er nødvendig – ved å anvende bøyning med størst mulig kurveradier. Hver produsent av optiske fibre oppgir et minimalt bøyeradius, som skal følges når man legger kabelen. Denne parameteren skal ikke endres, for at kabelens parametere ikke blir forringet.

 

Mikrobøyninga oppstår under prosessen av fiberproduksjon. Samme betegnelsen gjelder alle ujevnheter i form av grensen mellom kjernen og kledningen – både tilfeldige (mikrosprekker, konsentrasjoner av forurensning, gassbobler) og sykliske (f.eks. endring på diameter eller kjernens geometri og mikrosprekker som har oppstått grunnet periodevis økning av spenning da fiber ble satt på trommelen).

 

Fig. 5. Tap (lekkende modi) forårsaket av ufullkommenhet i den optiske fiberstrukturen – mikro-bøyning

 

A - uregelmessig grense mellom kledning og kjerne

B - forurenset med ioner

Mikro-bend på flermodus optiske fibre forårsaker moduskobling og omforming av energi fra modus ført til strålingsmodus. I enkeltmodus forårsaker optiske fibre uskarpt modus.