Εξασθένηση οπτικής ίνας

Εξασθένηση ονομάζεται κάθε είδους φαινόμενο που προκαλεί μείωση της ισχύος του μεταδιδόμενου σήματος, το οποίο ταυτόχρονα δεν επηρεάζει το σχήμα του.

Για την μαθηματική περιγραφή της εξασθένησης που προκαλεί απώλειες ισχύος στις οπτικές ίνες, εφαρμόζεται μία παράμετρος που ονομάζεται συντελεστής εξασθένησης a και μετριέται σε τμήμα 1 km. Εκφράζεται σε dB/km και ορίζεται με τον τύπο:

P(l₁) και P(l₂) – οπτική ισχύς που μετριέται στην οπτική ίνα στα σημεία l₁ και l₂ απομακρυσμένα μεταξύ του σε L

Η εξασθένηση αυξάνεται εκθετικά μαζί με την αύξηση του μήκους της ίνας, περιορίζοντας ταυτόχρονα το εύρος μετάδοσης. Η αύξηση της εξασθένησης ανά 3 dB αντιστοιχεί σε μείωση της ισχύος του μεταδιδόμενου σήματος κατά 50%.

Οι απώλειες ισχύος που προκαλούνται λόγω εξασθένησης οφείλονται σε φαινόμενα που βασίζονται στο υλικό που έχει σχέση με τις φυσικές ιδιότητες του υλικού του πυρήνα, καθώς και σε απώλειες κυματοδηγού που προκύπτουν από την δομή της οπτική ίνας (εικ. 1). Οι υλικές απώλειες περιλαμβάνουν κάθε είδους απορρόφηση και σκέδαση. Οι απώλειες κυματοδηγού ορίζονται ως η απώλεια ενέργειας που προκαλείται μεταξύ άλλων από μικροσκοπικές και μακροσκοπικές κάμψεις, από την μη ομοιομορφία της κατανομής του δείκτη διάθλασης του φωτός στο όρια του πυρήνα-επένδυσης και τις διακυμάνσεις της διαμέτρους ή του σχήματος αυτού του ορίου.

Απορρόφηση είναι ένα φαινόμενο που βασίζεται στην μεταφορά ενέργειας ηλεκτρομαγνητικού κύματος στο υλικό μέσο στο οποίο διαδίδεται το κύμα (εικ. 2). Η ενέργεια αυτή στη συνέχεια διαχέεται υπό την μορφή ταλαντώσεων των μορίων (κυρίως θερμικών ταλαντώσεων) ή μέσω εκπομπών. Η ενέργεια μπορεί να απορροφηθεί από ένα σωματίδιο μόνο σε αυστηρά καθορισμένα τμήματα (κβάντα), τα οποία καθορίζονται από την συχνότητα του ηλεκτρομαγνητικού κύματος ν. Η απορρόφηση ενός φωτονίου προκαλεί την μετάδοση ενέργειας που απαιτείται για να διεγείρει το μόριο στο υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο, μειώνοντας την ίδια στιγμή την ροή του φωτός.

Στις οπτικές ίνες τηλεπικοινωνιών και πολυμέσων, μεγαλύτερο ρόλο παίζει η απορρόφηση μέσω μόλυνσης, κυρίως των ιόντων -OH. Μικρότερη σημασία έχει η απορρόφηση σε υπέρυθρη ακτινοβολία και η απορρόφηση σε φάσμα UV.

Για μήκη κύματος 0,95 μm και 1,38 μm σημαντική επίδραση για οπτικές απώλειες έχει η παρουσία ιόντων -OH, για τα οποία παρουσιάζονται αντίστοιχα τρίτη και δεύτερη αρμονική ταλάντωση. Για μήκη κύματος 1,23 μm σχηματίζονται ταλαντώσεις ιόντων -OH με δεσμούς Si-O, Cu²⁺, Fe²⁺, Cr³⁺ και H₂ (εικ. 1 – B). Η παρουσία των ιόντων -OH αποτελεί υπόλειμμα μετά την μόλυνση με υδρατμούς κατά την διάρκεια της διαδικασίας παραγωγής. Μέσω της προσθήκης κατάλληλων προσμείξεων, επηρεάζεται με αλλαγή όχι μόνο ο δείκτης διάθλασης n, αλλά και η αύξηση της απορρόφησης (εικ. 3).

Εικ. 3. Εξάρτηση του συντελεστή εξασθένησης [a] από την αλλαγή του δείκτη διάθλασης Δn σε μονότροπη οπτική ίνα χαλαζία υπό μήκος κύματος 1 μm

Η απορρόφηση στην υπεριώδη ακτινοβολία φτάνει στο μέγιστο σε μήκος κύματος 0,2 μm. Αυτό συνδέεται με την εκτίναξη των ηλεκτρονίων σθένους από τα φωτόνια στην ζώνη αγωγιμότητας. Για μεγαλύτερα μήκη κύματος από 0,8 μm η απορρόφηση σε UV είναι αμελητέα (εικ. 1 – C).

Από τις ιδιότητες του ίδιου του πυριτικού γυαλιού προκύπτει επίσης, ότι μαζί με την αύξηση του μήκος κύματος άνω των 1,6 μm αυξάνεται και η απορρόφηση στην υπέρυθρη ακτινοβολία. Σε μήκος κύματος 9 μm οι κρυσταλλικές δομές Si0₂ υπόκεινται σε συντονισμό, με αποτέλεσμα να προκύπτει μέγιστη εξασθένηση και η οπτική ίνα να παύει να είναι διαφανής.

Σκέδαση η αλλιώς διασπορά είναι η αλλαγή κατεύθυνσης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας που οφείλεται στην μη ομοιομορφία του υλικού σε μοριακό επίπεδο.
Κυρίαρχο ρόλο στις οπτικές ίνες τηλεπικοινωνιών και πολυμέσων, παίζει η σκέδαση Rayleigh, εμφανίζονται επίσης και η σκέδαση Mie, καθώς και η εξαναγκασμένη σκέδαση Raman και Brillouin.

Η αιτία εμφάνισης της σκέδασης Rayleigh (RR) είναι οι ανομοιομορφίες του υλικού του πυρήνα (λόγω ατελειών ως προς την δομή του γυαλιού) με μεγέθη πολύ μικρότερα από 0,03 λ. H RR είναι αντιστρόφως ανάλογη της τέταρτης δύναμης του μήκους κύματος του φωτός (εικ. 1 – A), θέτοντας με αυτό τον τρόπο το όριο χρησιμότητας των οπτικών ινών χαλαζία για κύματα μικρότερα από 0,7 μm. Η εξασθένηση εξαρτημένη από την RR (a_R) περιγράφεται από τον τύπο:

k – σταθερά υλικού εντός της περιοχής των 0,7 έως 0,8 (ανάλογα με τον αριθμό των προσμίξεων)

Η RR προκύπτει με τον εξής τρόπο: η ηλεκτρική συνιστώσα του προσπίπτοντος ηλεκτρομαγνητικού κύματος επάγει την ηλεκτρική διπολική ταλαντευόμενη ροπή με την συχνότητα του κύματος. Το δίπολο απορροφά το κβάντο φωτός και το εκπέμπει αμέσως με συχνότητα που ισούται με την συχνότητα ταλάντωσης του διπόλου καθώς και με το προσπίπτον κύμα. Η κατεύθυνση του διασκορπισμένου κύματος είναι τυχαία, ωστόσο είναι λιγότερο πιθανόν τα κύματα να εκπέμπονται παράλληλα προς τον άξονα του διπόλου.

Η σκέδαση Mie (RM) εμφανίζεται όταν το οπτικό κύμα διασκορπίζεται σε σωματίδια ή σε ομάδες μορίων με μέγεθος συγκρίσιμο ή μεγαλύτερο από το μήκος αυτού του κύματος. Η διαδικασία αυτή δεν συνδέεται άμεσα με το μήκος του κύματος που διασκορπίζεται, αλλά με το πηλίκο του μεγέθους τοy μορίου και του μήκους κύματος. Περιγράφεται με την παράμετρο α.

r – μόριο ακτίνας

Όταν το μέγεθος του μορίου συγκρίνεται με το μήκος του κύματος, η διασπορά είναι (κατά προσέγγιση) ομοιόμορφη προς όλες τις κατευθύνσεις. Μαζί με την αύξηση της τιμής του πηλίκου r/λ αυξάνεται και η ασυμμετρία της διασποράς που παρατηρείται (εικ. 5). Σε περίπτωση που το r>>λ, κυρίαρχη γίνεται η διασπορά προς την κατεύθυνση σύμφωνα με το διασκορπισμένο κύμα (σκέδαση προς τα μπρος) και η μεταβολή του μήκους του προσπίπτοντος κύματος είναι πρακτικά αμελητέα.

Εικ. 5. Σκέδαση Mie. Σκέδαση που οφείλεται σε ατέλειες της κοινής επιφάνειας του πυρήνα: A) – συγκρίσιμες/μεγαλύτερες από το μήκος του οπτικού κύματος, B) – πολύ μεγαλύτερες από το μήκος του οπτικού κύματος

Μέσω της βελτίωσης της τεχνολογικής διαδικασίας παραγωγής οπτικών ινών επιτεύχθηκε (σε μεγάλο βαθμό) η εξάλειψη των φυσαλίδων αερίου, των ομάδων πρόσθετων στοιχείων ή κρυστάλλων, μειώνοντας έτσι τις απώλειες ισχύος που προκαλούνται από την σκέδαση Mie στην τιμή της τάξεως των 0,03 dB/km.

Η εξαναγκασμένη σκέδαση Brillouin (SBS) και η εξαναγκασμένη σκέδαση Raman (SRS) είναι φαινόμενα μη γραμμικά. Στην αλληλεπίδραση μεταξύ του ηλεκτρομαγνητικού κύματος και του υλικού μέσου εκτείνεται πέρα του ορίου τιμής της οπτικής ισχύος.

Η SBS εκδηλώνεται, όταν στις οπτικές ίνες καθοδηγούνται modes με οπτική ισχύ της τάξης μερικών δεκάδων mW. Εμφανίζεται τότε αντίστροφο κύμα, ενώ επιπλέον ακολουθεί η μεταφορά της ενέργειας των φωτονίων μέσα από το υλικό μέσο των ακουστικών φωτονίων. Επιπλέον, ακολουθεί η μετατόπιση της συχνότητας του καθοδηγούμενου modes (ρυθμού) ανά:

n – δείκτης διάθλασης
ν – ταχύτητα ηχητικού κύματος στο μέσο

Η SRS εκδηλώνεται κατά την υπέρβαση της οπτικής ισχύος της τάξεως του 1 W και οφείλεται στην αλληλεπίδραση των modes που καθοδηγούνται, με τις μοριακές δονήσεις του υλικού μέσου. Το φως ενώ υπόκειται σε διασπορά, μεταδίδει κβάντο ενέργειας φωτονίου στο σκεδαζόμενο μόριο και μεταβάλει την συχνότητά του. Κατά συνέπεια ακολουθεί μείωση της οπτικής ισχύος των καθοδηγούμενων τρόπων υψηλότερης συχνότητας (αισθητήριων τρόπων) καθώς και αύξηση της ισχύος (άντληση) κυμάτων συχνότητας χαμηλότερης από την συχνότητα Stokes. Στις οπτικές ίνες πυριτίου κάθε δυο κύματα με διαφορά συχνότητας της τάξεως των 15 THz θα συνδέονται μεταξύ τους μέσω του SRS.

Μια άλλη πηγή απώλειας είναι οι κάμψεις της ίνας, τόσοι οι μακροσκοπικές όσο και οι μικροσκοπικές.

Το κύμα το οποίο διαδίδεται κατά μήκος της ίνας και συναντά μία κάμψη, πέφτει στα όρια μεταξύ της επένδυσης και του πυρήνα υπό διαφορετική γωνία απ' ότι στο ευθύγραμμο τμήμα της οπτική ίνας. Όταν η γωνία πρόσπτωσης είναι μικρότερη από την οριακή (κρίσιμη) γωνία, τότε δεν παρουσιάζεται το φαινόμενο της ολικής εσωτερικής ανάκλασης. Οι τρόποι διάδοσης υπόκεινται σε μερική μετατροπή σε ακτινοβολούμενους ρυθμούς modes, με αποτέλεσμα την διάθλαση εκτός πυρήνα οπτικής ίνας, καθώς επίσης και έξω από την επένδυση (εικ. 4). Ένα μέρος της ενέργειας οπότε χάνεται.

Οι απώλειες που προκύπτουν στις κάμψεις είναι αναπόφευκτες, ωστόσο μπορούν να ελαχιστοποιηθούν με την μείωση του αριθμού των κάμψεων, ενώ στα σημεία που είναι απαραίτητες, μέσω της εφαρμογής κάμψεων με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακτίνα καμπυλότητας. Κάθε κατασκευαστής οπτικών ινών ορίζει την ελάχιστη ακτίνα κάμψης, η οποία πρέπει να λαμβάνεται υπόψιν κατά την τοποθέτηση ενός καλωδίου. Είναι μια παράμετρος που δεν πρέπει να αλλάζει για να μην οδηγήσει στην επιδείνωση των παραμέτρων του καλωδίου.

Οι μικροκάμψεις εμφανίζονται κατά το στάδιο παραγωγής των ινών. Υπό αυτή την έννοια περιλαμβάνονται κάθε είδους ανωμαλίες στο σχήμα του ορίου μεταξύ του πυρήνα και της επένδυσης με χαρακτήρα τυχαίο (μικρορωγμές, συγκεντρώσεις προσμίξεων, φυσαλίδες αερίου), όπως και περιοδικό (π.χ. αλλαγές στην διάμετρο ή στην γεωμετρία του πυρήνα, μικρορωγμές που προκύπτουν από περιοδική αύξηση της έντασης κατά την περιτύλιξη της ίνας σε τύμπανο).

Οι μικροκάμψεις στις πολύτροπες οπτικές ίνες προκαλούν ζεύξη ρυθμών καθώς και μετατροπή της ενέργειας των ρυθμών που μεταφέρονται στους ρυθμούς ακτινοβολίας. Στις μονότροπες οπτικές ίνες είναι η αιτία θόλωσης του ρυθμού.