Optiliste kiudude sumbuvus

Sumbuvuseks loetakse igat tüüpi nähtust, mille tulemusena edastatava signaali võimsus nõrgeneb, kuid kuju ei muutu.

Sumbuvuse parameetrit väljendatakse tähega a, mis kirjeldab sumbuvusest tingitud optilise kiu võimsuse vähenemist matemaatiliselt, mõõdetav lõik on 1 km. Selle ühik on dB/km ja see arvutatakse järgmise valemi abil:

P(l₁) ja P(l₂) – optilises kius mõõdetud optiline võimsus punktides l₁ ja l₂, mis asuvad üksteisest kaugusel L

Kiu pikkuse suurenedes tõuseb sumbuvus eksponentsiaalselt, samal ajal väheneb edastamise kaugus. Sumbuvuse suurenedes 3 dB võrra väheneb edastatava signaali võimsus 50%.

Sumbuvusest tingitud signaali nõrgenemine sõltub materjalist ning see on seotud südamiku materjali ja signaalijuhi kadudega, mis tulenevad optilise kiu struktuurist (joonis 1). Materjalist tulenevad kaod hõlmavad kõiksugu neeldumisi ja hajumisi. Lainejuhi kaod on energiakaod, mida põhjustavad mikro- ja makropainutused, mitteühtlane valguse murdumisnäitaja südamiku ja ümbrise piiril ning selle piiri läbimõõdu või kuju kõikumine.

Neeldumine seisneb elektromagnetlaine energia suunamises materjali keskmesse, kus see hajub (joonis 2). Energia hiljem hajub osakeste võnkumisena (peamiselt soojusvõnkumine) või kiirgusena. Energia võib neelduda osakeses ainult kindla portsjonina (kvant), mille määrab elektromagnetilise laine sagedus ν. Footonite neeldumise tulemusena kandub osakese järgmisele energiatasemele ergastamiseks vajalik energia üle ning samal ajal väheneb valgusvoog.

Telekommunikatsioonis ja multimeedias mängib kõige olulisemat rolli saastumisest tingitud neeldumine, täpsemalt -OH ioonide puhul. Neeldumine infrapunas ja UV sagedustealas on vähem tähtis.

Lainetele pikkusega 0,95 ja 1,38 μm omavad märkimisväärset mõju optilised kaod, mis ilmnevad -OH ioonide juuresolekul, täpsemalt harmoniseeruvad vastavalt kolmas ja teine võnge. Lainepikkusel 1,23 μm ioonide võnkumine kattub -OH ioonide sidemetega ühendites Si-O, Cu²⁺, Fe²⁺, Cr³⁺ ja H₂ (joonis 1 – B). -OH ioonide esinemine on põhjustatud veeauruga saastumisest tootmisprotsessi käigus. Sobivate lisandite kasutamisel on võimalik valguse murdumise koefitsiendi n muutust ja neeldumise suurenemist mõjutada (joonis 3).

Joonis 3. Ühiku neeldumise [a] sõltuvus valguse murdumisnäitaja muutusest Δn kvartsist üherežiimilise optilise kiu puhul, lainepikkus 1 μm

Neeldumine ultravioletis jõuab maksimumini 0,2 μm juures. See on seotud valentsete elektronide väljalükkamisega elektronide poolt juhtribasse. Lainete puhul, mis on pikemad kui 0,8 μm, on UV neeldumine kaduvväike (joonis 1 – C).

Kvartsklaasi omadused näitavad, et kui lainepikkus kasvab üle 1,6 μm, siis suureneb ka neeldumine infrapunases (joonis 1 – D). Lainepikkusel 9 μm on resonantsile avatud Si0₂ kristalli struktuur, mis viib maksimaalse neeldumiseni ning optiline kiud ei ole enam läbipaistev.

Hajumine tähendab leviva kiirguse suunamuutust, mille põhjus on materjali ebaühtlus osakeste tasandil.
Telekommunikatsioonis ja multimeedias mängib peamist rolli optiliste kiudude puhul Rayleigh' hajumine, kuid esineb ka Mie hajumist, Ramani hajumist ja Brillouini hajumist.

Rayleigh' hajumine (RR) on põhjustatud südamiku materjali ebaühtlusest (mida põhjustab klaasi struktuuri ebaühtlus), kui mõõtmed on märkimisväärselt väiksemad kui 0,03 λ. Rayleigh' hajumine on proportsionaalne valguse lainepikkuse neljanda astmega (joonis 1 – A), seega on võimalik määrata, et kvartsist optiliste kiudude kasutatavuse piiriks on lained, mis on lühemad kui 0,7 μm. Rayleigh' hajumisest tingitud sumbumist (a_R) kirjeldab järgmine valem:

k – materjali konstant vahemikus 0,7 kuni 0,8 (sõltuvalt lisaainete hulgast)

Rayleigh' hajumine toimub järgneval moel: elektromagnetlainega võnkuv elektriväli muudab osakese dipooliks, mis võngub sama sagedusega. Dipool neelab valguse kvantosakese ning kiirgab selle kohe välja sagedusega, mis vastab dipooli sagedusele ja algsele elektromagnetlainele (joonis 4). Väljakiiratud laine suund on juhuslik, kuid on vähem tõenäoline, et väljakiiratud laine on paralleelne dipooli teljega.

Mie hajumine toimub siis, kui valguslaine hajub osakestes või molekulide gruppides, mille suurus on võrreldav lainepikkusega või suurem kui sellest. See protsess ei ole otseselt seotud hajunud laine pikkusega, vaid osakese suuruse ja lainepikkuse jagatisega. Seda kirjeldab parameeter α.

r – osakese raadius

Kui osakese suurus on võrreldav lainepikkusega, siis hajumine on (ligikaudu) ühtlane kõikidesse suundadesse. Kui suureneb jagatise väärtus r/λ, siis tekib hajumises asümmeetria (joonis 5). Kui r>>λ, siis muutub domineerivaks hajumine suunda, mis on ligikaudu sama hajuva laine suunaga (hajumine ettepoole) ning algse laine lainepikkuse muutus on praktiliselt ebaolulise suurusega.

Joonis 5. Mie hajumine. Fiiberoptilise südamiku materjali ebaühtlusest tingitud hajumine: A) – võrreldav valguse lainepikkusega või suurem sellest B) – märkimisväärselt suurem kui valguse lainepikkus

Optiliste kiudude tootmise tehnoloogilise protsessi täiustamise käigus on eemaldatud gaasimullid (märkimisväärsel hulgal) ning lisandunud radikaalid ja kristalliidid; seega on Mie hajumisest tingitud võimsusekadu vähenenud väärtuseni 0,03 dB/km.

Sunnitud Brillouini hajumine (SBS) ja sunnitud Ramani hajumine (SRS) on mittelineaarsed nähtused. Mõju elektromagnetlaine ja südamiku materjali vahel toimub pärast seda, kui optilise võimsuse piirväärtus on ületatud.

SBS toimub siis, kui fiiberoptilises kaablis on mitu režiimi, mille optiline võimsus on mitu mW. Moodustub tagurpidisuunaline laine ning footonite energia kantakse südamikult üle resoneeruvatele footonitele. Režiimi sagedus muutub järgmise valemi alusel:

n – valguse murdumise koefitsient
ν – laine kiirus südamikus

SRS tekib siis, kui ületatakse optiline võimsus 1 W ning see seisneb molekulaarse vibratsiooni mõjus südamiku materjalile. Hajuv valgus kannab footoni eneriga kvandi hajutavale osakesele ning muutub sagedus. Selle tulemusena kõrgema sagedusega režiimide võimsus väheneb ning madalama sagedusega režiimide võimsus suureneb Stokesi sageduse võrra. Ränist optiliste kiudude puhul sulanduvad SRSi tõttu kokku mis tahes kaks lainet, mille sageduste erinevus on 15 THz.

Veel üks kadude põhjus on kiu painutused, nii mikro- kui makrotasandil.

Mööda optilist kiudu leviv laine, mis jõuab painutuskohani, peegeldub ümbrise ja südamiku vahel olevalt piirilt teistsuguse nurga all kui sirge optilise kiu puhul. Kui peegeldumise nurk väiksem kui piirnurk, siis ei toimu täielikku sissepoole tagasipeegeldumist. Režiimi andmevoog peegeldub osaliselt kiirgusena väljapoole optilise kiu südamikku ning ümbrist (joonis 4). Osa energiast läheb kaotsi.

Paindekohtades tekkivad kaod on vältimatud, neid on võimalik minimeerida, kui vähendada painutatud kohtade arvu ning kohtades, kus painutamine on vältimatu, tuleb painutuskoht teha võimalikult suure raadiusega. Iga optilise kiu tootja annab teavet minimaalse painutusraadiuse kohta, millest tuleb kaabli paigalduse käigus kinni pidada. Seda parameetrit tuleb arvestada, sest vastasel juhul muutuvad kaabli parameetrid halvemaks.

Mikrotasandi painutused tekivad kiu tootmisel. Tegemist on mis tahes tüüpi ebakorrapäraga südamiku ja ümbrise piiril, mis on kas juhuslikud (väiksed väljasopistused, lisaained, gaasimullid) või korrapärased (näiteks südamiku läbimõõdu või läbilõike muutumine või mikrosopistused, mis tekivad pinge perioodilisel suurenemisel, kui kiudu keritakse trumlile).

Mikrotasandi painutused mitmerežiimilise kaabli puhul põhjustavad signaali katkemist ning režiimi energia muundumist kiirguseks. Üherežiimiliste optiliste kiudude puhul põhjustavad need signaali hägustumist.