TopMűszaki szótárOptikai szál csillapítása

Optikai szál csillapítása

Csillapításnak nevezünk minden olyan jelenséget, mely csökkenti a propagált jelerősséget, mely nincs hatással az alakjára.

 

A csillapítás által az optikai szálban okozott jelerősség veszteség matematikai leírásához az egységnyi csillapítás paraméterét használják a, melyet 1 km szakaszon mértek. MértékegységedB/km, az alábbi képlettek írják le:

 

P(l1) és P(l2) – optikai szálon l1 és l2 pontokon mért optikai teljesítmény, melyek egymáshoz viszonyított távolsága L

 

A csillapítás exponenciálisan növekszik a szál hosszával együtt, korlátozva ezzel az adatátvitel hatótávot. A 3 dB csillapítás növekedés megfelel a propagált jelerősség 50%-os csökkenésének.

 

A csillapítással okozott teljesítmény veszteséghez hozzátartoznak az anyaggal kapcsolatos jelenségek, melyek a mag anyagának fizikai tulajdonságaihoz kötődnek, valamint az optikai szál szerkezetéből adódó hullámvezető veszteségek (1. ábra). Az anyag veszteségéhez tartozik mindenféle abszorpció és szórás. A hullámvezető veszteségek többek között a mikro- és makro gyűrődések, a mag-köpeny határán létrejött törésmutató egyenetlenség, vagy az átmérő vagy annak határa alakja által okozott energia veszteségek.

 

1. ábra Egységnyi csillapítás [a] és hullámhossz λ közötti összefüggés az egymódusú kvarc optikai szálban

 

I II III – adatátviteli ablakok

A - Rayleigh szórás

B - hidroxidion abszorpció

C - ultraviola abszorpció

D - infravörös abszorpció

E - hullámvezető veszteségek

Az abszorpció jelenségének lényege az elektromágneses hullám energiájának átadása a központ anyagához, ahol a hullám szétterjed (2. ábra). Ez az energia később részecske rezgés vagy emisszió formájában disszipálódik (főleg hőrezgések hatására). Az energiát a részecske csak szigorúan meghatározott adagokban (kvantumokban) veheti fel, melyeket az elektromágneses hullám frekvenciája határoz meg ν. A foton abszorpció a magasabb energiaszintre emelés gerjesztéséhez szükséges energia átadását eredményezi, csökkentve ezzel a fényáramot.

 

2. ábra Abszorpció

 

- foton energia kvantum

E0 - alap energia szint

E1 - növelt energia szint

Telekommunikációs és multimédiás optikai szálakban a szennyeződések, főleg az -OHjónok általi abszorpció játssza a legfontosabb szerepet. Kisebb jelentősége van az infravörös abszorpciónak és az UVtartomány abszorpciónak.

 

A 0,95 μm és 1,38 μm hosszúságú hullámoknál az optikai veszteségre döntő hatással van az -OH ionok jelenléte, melyek esetén megfelelően a harmadik és második harmonikus rezgés. 1,23 μm hosszúságú hullámoknál hozzájönnek az Si-O, Cu2+, Fe2+, Cr3+ és H2 kötésű -OH ion rezgések (1 – B ábra). Az -OHionok jelenléte a gyártási folyamat során keletkezett vízgőz szennyezés maradványa. Megfelelő adalékanyagok hozzáadásával, nem csak az n törésmutató változása módosul, hanem az abszorpció is növekszik (3. ábra).

 

3. ábra Egységnyi csillapítás [a] függése a törésmutató változásától Δn egymódusú kvarc optikai szálban 1 μm hullámhossz esetén.

 

Az ultraviola abszorpció a maximumot 0,2 μm hullámhossz mellett éri el. Ez a valencia elektronok, fotonok általi vezető sávba történő áthelyezéssel függ össze. 0,8 μm-nél hosszabb hullámok esetén az UV abszorpció elhanyagolható (1 – C ábra).

 

A kvarcüveg tulajdonságaiból adódik, hogy a hullámhossz 1,6 μm feletti növekedésével növekszik az infravörös abszorpció (1 – D ábra). 9 μm hullámhossz mellett a Si02 kristályos szerkezetek rezegni kezdenek, ennek eredményeként maximális csillapítás jön létre és az optikai szál elveszti átlátszóságát.

 

A szórás az anyag részecske szinten lévő egyenetlenségéből származó sugárzás propagálás irányának változása.
Telekommunikációs és multimédiás optikai szálak esetén vezető szerepet tölt be a Rayleigh szórás, szintén szerepelnek a Mie szórások, valamint Raman és Brillouin szórások.

 

Rayleigh szórás (RR) jelenségét a mag anyagának 0,03 λ egységnél jóval kisebb egyenetlenségei okozzák (tökéletlen üveg szerkezet). Az RR fordítottan arányos a fényhullám hosszának negyedik hatványával (1 – A ábra), kijelölve ezzel a kvarc optikai szálak használhatósági határait a 0,7 μm-nél rövidebb hullámok esetén. Az RR-től függő csillapítást (aR) az alábbi képlet írja le:

 

k –0,7 és 0,8 közötti tartományban lévő anyag állandó (adalékanyagtól függően)

 

Az RR az alábbi módon megy végbe: az incidens elektromágneses hullám elektromos összetevője a hullám frekvenciáján rezgő elektromos dipólusos momentumot indukál. A dipol elnyeli a fény kvantumot, majd rögtön a dipólus rezgésének frekvenciájával azonos rezgésű frekvenciával sugározza tovább az incidens hullámot is (4. ábra).

 

4. ábra Rayleigh szórás

 

A - incidens hullám

B - szóródó dielektromos részecske (kisebb a fényhullám hosszánál)

C - áthaladó hullám (az ábra átláthatósága érdekében a fényhullám propagálás nem lett figyelembe véve)

D - szórt hullámok

λ[const] - hullám hossza

Mie szórás (RM) akkor lép fel, ha a fényhullám az adott hullám nagyságához hasonló, vagy annál nagyobb részecskéken, vagy molekula csoportokon szóródik. Ez a folyamat közvetlenül nem a szórt hullám hosszával, hanem a részecske méret és hullámhossz hányadosával függ össze. α paraméterrel jelölik.

 

r – részecske sugár

 

Ha a részecske mérete hasonló a hullám hosszával, a szórás minden irányban (körülbelül) egyenlő. A r/λ hányados értékének növekedésével nő a megfigyelt szórás aszimmetriája (5.ábra). Ha r>>λ, a szórt hullám irányával megegyező irányú szórás lesz a domináns (előre szórás), az incidens hullám hossza pedig gyakorlatilag elhanyagolható.

 

5. ábra Mie szórás. Szórás az optikai szál mag anyagának egyenetlenségein: A) – fényhullám hosszhoz hasonló vagy annál nagyobb, B) – fényhullám hossznál jóval nagyobb

 

Az optikai szálak gyártási folyamatának tökéletesítése által (nagymértékben) sikerült kiszűrni a gázbuborékokat, az adalékanyag gyököket és kristályokat, ezáltal az RM teljesítmény veszteségeket sikerült 0,03 dB/km értékre csökkenteni.

 

kényszerített Brillouin szórás (SBS) és kényszerített Raman szórás (SRS) nem lineáris jelenségek. Az elektromágneses hullám és a központ anyaga közötti kölcsönhatás az optikai teljesítmény határértékének túllépése után jön létre.

 

SBS akkor jelenik meg, ha az optikai szálakban tizenegynéhány mW optikai teljesítményű módusokat vezetnek. Ilyenkor visszirányú hullám keletkezik, ezen kívül a foton energiák leadása történik az akusztikus fonomokhoz, a központ anyagán keresztül. Ezen kívül a vezetett módus frekvenciájának alábbi mértékű eltolása történik:

 

n –fény törésmutatója
ν – hanghullám sebessége a központban

 

SRS az 1 W optikai teljesítmény túllépése után jelenik meg, lényege a központ anyagának molekuláris vibrációival vezetett módusok kölcsönhatása. A szórt fény átadja a foton energia kvantumát a szóró részecskének és megváltoztatja frekvenciáját. Ennek következménye a nagyobb frekvenciájú optikai módusok (szonda módusok) teljesítményének csökkenése, valamint a Stokes frekvenciájánál alacsonyabb hullám teljesítményének növelése (pumpálás). Szilícium optikai szálakban minden 15 THz frekvencia különbségű két hullám az SRS által lesz egymással összekapcsolva.

 

A következő veszteségforrás a szál elhajlása makro- és mikroszkopikus mértékben.

 

Az optikai szál hosszában propagáló hullám elhajlásba ütközik, a mag és a köpeny határára más szögben esik, mint az optikai szál egyenes szakaszán. Amikor az incidens szög kisebb a határszögnél, a teljes belső visszaverődés jelensége nem történik meg. A vezetett módusok részlegesen átalakulnak sugár módusokká, ennek következménye az optikai szál magján és köpenyén túl történő fénytörés (4. ábra). Így az energia egy része elveszik.

 

4. ábra Optikai szál elhajlásaiban keletkezett veszteségek (szivárgó módusok) – makro elhajlások

 

Θ - fényhullám csúcsának incidens szöge a mag-köpeny határon az optikai szál elhajlásban

Θg - teljes belső visszaverődés határszöge

Az elhajlásokban keletkező veszteségek elkerülhetetlenek, az elhajlások számának csökkentésével lehet azokat minimalizálni, olyan helyeken pedig, ahol szükségesek az elhajlások, a lehető legnagyobb ívsugarú hajlítások alkalmazásával. Minden optikai szál gyártó meg szokta adni a minimális hajlítási sugarat, melyet figyelembe kell venni a kábel elhelyezésekor. Ezt a paramétert ne változtassa meg, hogy ne rontson jelentősen a kábel paraméterein.

 

Mikro elhajlások a szálak gyártása során keletkeznek. Ide tartoznak mindenféle szabálytalanságok a mag és köpeny határa alakján, melyek lehetnek véletlenszerűek (mikro repedések, adalékanyag felgyülemlés, gázbuborékok), lehetnek ciklikusak (pl. mag átmérő vagy geometria változások és a szál feszülését szolgáló időszakos tekercselés során keletkező mikro repedések).

 

5. ábra Optikai szál szerkezetében fellépő rendellenességek (szivárgó módusok) – mikro elhajlások

 

A - köpeny és mag határán lévő rendellenességek

B - ion szennyezés

A többmódusú optikai szálakon keletkező mikro elhajlások a módusok kapcsolási reakcióját valamint a sugár módushoz vezető módusok energiájának átalakítását eredményezik. Az egymódusú optikai szálakban a módus homályosodását okozza.