TopTechnisch woordenboekDemping van glasvezel

Demping van glasvezel

Alle soorten verschijnselen die vermindering van het vermogen van het doorgegeven signaal veroorzaken, zonder daarbij tegelijkertijd invloed uit te oefenen op zijn vorm noemen we demping.

 

Voor de wiskundige beschrijving van het door demping veroorzaakte vermogensverlies in de glasvezelkabel wordt de demping a gebruikt, gemeten over een afstand van 1 km. Hij wordt uitgedrukt in dB/km en omschreven door de formule:

 

P(l1) en P(l2) – optisch vermogen in de glasvezelkabel op de punten l1 en l2 die op een afstand van L van elkaar liggen

 

De demping neemt exponentieel toe met de toename van de lengte van de vezel en beperkt daarmee het transmissiebereik. Een toename van de demping met 3 dB komt overeen met een vermogensdaling van het doorgegeven signaal met 50%.

 

Het vermogensverlies door demping bestaat uit verschijnselen die voortkomen uit het materiaal, door de fysische eigenschappen van het kernmateriaal en golfgeleiderverliezen die voortkomen uit de constructie van de glasvezel (afb. 1). Tot de materiële verliezen rekenen we alle types absorptie en verstrooiing. Golfgeleiderverliezen betreffen energieverlies door o.a. micro- en macrobuigingen, ongelijkmatige verdeling van de brekingsindex op de grens kern-mantel of schommelingen in de doorsnede of vorm van deze grens.

 

Afb. 1. Relatie tussen de demping [a] en de golflengte λ in een singlemode kwartsglasvezel.

 

I II III - transmissievensters

A - Rayleighverstrooiing

B - absorptie in hydroxide-ionen

C - absorptie in ultraviolet

D - absorptie in infrarood

E - golfgeleiderverliezen

Absorptie is een verschijnsel dat berust op overdracht van de energie van elektromagnetische golven aan het materiaal van de omgeving waar de golf doorheen gaat (afb. 2). Deze energie gaat later verloren in de vorm van deeltjestrillingen (hoofdzakelijk warmtetrillingen) of door emissie. De energie kan slechts in nauwkeurig bepaalde porties (kwanten) worden opgenomen door een deeltje. Deze kwanten worden gedetermineerd door de frequentie van de elektromagnetische golf v. Het absorberen van het foton veroorzaakt overdracht van energie die nodig is om het deeltje naar een hoger energieniveau te brengen, waardoor de lichtstroom afneemt.

 

Afb. 2. Absorptie

 

- energiekwant foton

E0 - basisenergieniveau

E1 - opgewekt energieniveau

In glasvezels voor telecommunicatie en multimedia speelt de absorptie door verontreinigingen, met name OH-ionen, de grootste rol. De absorptie in infrarood en absorptie op het gebied van UV zijn minder belangrijk.

 

Voor golven met golflengten van 0,95 μm en 1,38 μm is de aanwezigheid van OH-ionen, waarvoor respectievelijk de derde en tweede trillingsharmonischen optreden, van doorslaggevende invloed op de optische verliezen. Bij een golflengte van 1,23 μm lopen de trillingen van de OH-ionen met bindingen met Si-O, Cu2+, Fe2+, Cr3+ en H2 in elkaar over (afb. 1 – B). De aanwezigheid van OH-ionen is een restant van verontreinigingen met waterdamp tijdens het productieproces. Door toevoeging van de juiste hulpstoffen wordt niet alleen invloed uitgeoefend op de brekingsindex n, maar ook op de toename van de absorptie (afb. 3).

 

Afb. 3. Relatie tussen de demping [a] en de veranderingen in de brekingsindex Δn in een singlemode kwartsglasvezel bij een golflengte van 1 μm

 

De absorptie in ultraviolet bereikt het maximum bij een golflengte van 0,2 μm. Dit komt doordat de fotonen van de valentie-elektronen overgaan naar de geleideband. Voor golven langer dan 0,8 μm is de absorptie in UV verwaarloosbaar (afb. 1 – C).

 

Uit de eigenschappen van het kwartsglas zelf blijkt dat bij een toename van de golflengten boven 1,6 μm de absorptie in infrarood toeneemt (afb. 1 – D). Bij een golflengte van 9 μm gaan de kristallijne SiO2 resoneren, als gevolg waarvan de demping maximaal wordt en de glasvezelkabel niet meer transparant is.

 

Verstrooiing is een richtingsverandering van de overgebrachte straling, veroorzaakt door afwijkingen in het materiaal op deeltjesniveau.
Een dominante rol in de glasvezels voor telecommunicatie en multimedia wordt gespeeld door de Rayleighverstrooiing, maar ook de verschijnselen Mieverstrooiing en de gedwongen Raman- en Brillouinverstrooiing komen voor.

 

De oorzaak van het optreden van de Rayleighverstrooiing (RR) is niet-homogeen kernmateriaal (veroorzaakt door imperfecte glasstructuur) met afmetingen die aanzienlijk kleiner zijn dan 0,03 λ. De RR is omgekeerd evenredig tot de vierde macht van de golflengte van het licht (afb. 1 – A), en bepaalt daarmee de grens van de bruikbaarheid van glasvezelkabels voor golven die korter zijn dan 0,7 μm. De demping die afhankelijk is van RR (aR) wordt omschreven door de formule:

 

k – materiaalconstante die zich bevindt tussen 0,7 en 0,8 (afhankelijk van de hoeveelheid hulpstoffen)

 

RR verloopt op de volgende manier: de elektrische component van een invallende elektromagnetische golf induceert een elektrisch dipoolmoment van de oscillatiefrequentie van die golf. De dipool absorbeert een kwant van het licht, waarna hij het onmiddellijk emitteert met een frequentie die gelijk is aan de oscillatiefrequentie van de dipool en daarmee ook de invallende golf (afb. 4). De richting van de verstrooide golf is willekeurig, echter het is niet waarschijnlijk dat golven evenwijdig aan de as van de dipool worden geëmitteerd.

 

Afb. 4. Rayleighverstrooiing

 

A - invallende golf

B - verstrooiend diëlektrisch deeltje (kleiner dan de golflengte van het licht)

C - doorgaande golf (voor de duidelijkheid is in de afbeelding geen rekening gehouden met de verandering van de doorgeefrichting van de lichtgolf)

D - verstrooide golven

λ[const] - golflengte

Mieverstrooiing (RM) vindt plaats wanneer de lichtgolf wordt verstrooid door deeltjes of een opeenhoping van moleculen met een grootte die vergelijkbaar of groter is dan de golflengte van deze golf. Dit proces heeft geen direct verband met de golflengte van de verstrooide golf, maar met het quotiënt van de afmeting van het deeltje en de golflengte. Het wordt omschreven met de parameter α.

 

r – straal van het deeltje

 

Wanneer de afmeting van het deeltje vergelijkbaar is met de golflengte, is de verstrooiing (bij benadering) gelijkmatig in alle richtingen. Met de toename van het quotiënt r/λ neemt de asymmetrie van de geobserveerde verstrooiing toe (afb. 5). In het geval dat r>>λ, wordt de verstrooiing in de richting van de verstrooide golf (verstrooiing naar voren) dominant en de wijziging van de golflengte van de invallende golf is vrijwel verwaarloosbaar.

 

Afb. 5. Mieverstrooiing. Verstrooiing door onvolkomenheden van het kernmateriaal van de glasvezelkabel: A) – vergelijkbaar/groter dan de golflengte van het licht, B) – aanzienlijk groter dan de golflengte van het licht

 

Door vervolmaking van het technologische proces van de productie van glasvezelkabels is het (in grote mate) gelukt om gasblaasjes en opeenhopingen van hulpstofelementen of kristallieten te voorkomen, waardoor het vermogensverlies door RM is gereduceerd tot een waarde in de orde van 0,03 dB/km.

 

Gedwongen Brillouinverstrooiing (SBS) en gedwongen Ramanverstrooiing (SRS) zijn niet-lineaire verschijnselen. Interactie tussen de elektromagnetische golf en de materiële drager ontstaat na overschrijding van de grenswaarde van het optisch vermogen.

 

SBS doet zich voor wanneer in de glasvezelkabels modi met een optisch vermogen in de orde van tien tot twintig mW worden ingevoerd. In dat geval ontstaat een achterwaartse golf en bovendien wordt via de materiële drager energie van de fotonen overgedragen aan akoestische fononen. Bovendien vindt er een verschuiving van de frequentie van de ingevoerde mode plaats met:

 

n – brekingsindex
ν – snelheid van de geluidsgolf in de materiële drager

 

SRS verschijnt na het overschrijden van het optisch vermogen in de orde van 1 W en berust op het inwerken van de ingevoerde modi op de vibraties van het moleculaire materiaal van de drager. Het verstrooide licht draagt een kwant energie van een foton over op het verstrooiende deeltje en verandert zijn frequentie. Het gevolg hiervan is vermindering van het optische vermogen van de modi met een hogere frequentie (van de sonderende modi) en vergroting van het vermogen (pompen) van de golf met een frequentie die lager is met het getal van Stokes. In siliciumglasvezelkabels zijn elke twee golven met een frequentieverschil in de orde van 15 THz met elkaar verbonden via SRS.

 

Een volgende verliesbron zijn buigingen van de vezel, zowel op macroscopische als op microscopische schaal.

 

Een golf die voortbeweegt langs de glasvezel en een buiging tegenkomt, raakt de grens tussen de mantel en de kern onder een andere hoek dan op een recht traject van de glasvezelkabel. Als de invalshoek kleiner is dan de grenshoek, komt het verschijnsel van volledige interne spiegeling niet voor. Gevoerde modi ondergaan een gedeeltelijke conversie in stralingsmodi, met als gevolg breking buiten de kern van de glasvezel, en ook buiten de mantel (afb. 4). Hiermee gaat dus een deel van de energie verloren.

 

Afb. 4. Verliezen (lekmodi) die ontstaan als gevolg van buigingen in de glasvezel – macrobuigingen

 

Θ - de invalshoek van de top van de lichtgolf op de grens kern-mantel bij een buiging in de glasvezel

Θg - grenshoek voor volledige interne spiegeling

Verliezen in buigingen zijn niet te vermijden, ze kunnen gereduceerd worden door reductie van het aantal buigingen, en op plaatsen waar ze noodzakelijk zijn – door toepassing van buigingen met een zo groot mogelijke buigstraal. Iedere producent van glasvezels vermeldt de minimale buigstraal waar u rekening mee moet houden bij het leggen van kabels. Het is een parameter die niet gewijzigd mag worden, om te voorkomen dat de parameters van de kabel sterk verslechteren.

 

Microbuigingen ontstaan bij de productie van de vezels. Onder dit begrip vallen allerlei soorten onregelmatigheden in de vorm van de grens tussen de kern en de mantel die zowel een willekeurig (microbarstjes, opeenhopingen van hulpstoffen, gasblaasjes), als een cyclisch karakter kunnen hebben (bv. veranderingen in de doorsnede of geometrie van de kern, en microbarstjes die zijn ontstaan door tijdelijke verhoogde uitrekking tijdens het winden van de vezels op een trommel).

 

Afb. 5. Verliezen (lekmodi) veroorzaakt door onvolkomenheden in de bouw van de glasvezel – microbuigingen

 

A - onregelmatigheden op de grens tussen kern en mantel

B - verontreiniging met ionen

Microbuigingen in multimode-glasvezelkabels veroorzaken het koppelen van modi en conversie van de energie van gevoerde modi in stralingsmodi. In singlemode-glasvezelkabels veroorzaken ze het vervagen van de mode.