TopTehniskā vārdnīcaOptiskās šķiedras vājinājums

Optiskās šķiedras vājinājums

Par vājinājumu tiek dēvētas visa veida parādības, kas izraisa signāla jaudas samazināšanos, vienlaicīgi neietekmējot to formu.

 

Matemātiskam jaudas zuduma aprakstam optiskajā šķiedrā tiek izmantots parametrs ko sauc par vienības vājinājumu a un mēra 1 km sekcijās. Parametrs tiek izteikts dB/km un mērīts pēc formulas:

 

P(l1) un P(l2) – optiska jauda, kas tiek mērīta optiskās šķiedras punktosl1 un l2, savā starpā atdalītiem ar L

 

Vājinājums pieaug eksponenciāli līdz ar šķiedras garums palielināšanos, vienlaicīgi samazinot pārraides diapazonu. Vājinājuma pieaugumam par 3 dB atbilst pavairotā signāla jaudas samazināšanās par 50%.

 

Vājinājuma izraisītu jaudas zudumu ietekmē serdes materiāla fiziskās īpašības un zudumi viļņvadā, kas saistīti ar optiskās šķiedras struktūru (zīm. 1). Pie materiālajiem zaudējumiem tiek pieskaitīta visa veida absorbcijas un izkliedes. Zudumi viļņvadā, savukārt, ir enerģijas zudums, ko izraisījuši mikro- un makro izliekumi, nevienmērīgs gaismas laušanas koeficienta sadalījums uz serdes–pārklājuma robežas vai arī šīs robežas diametra vai formas svārstības.

 

Zīm. 1. Vienības vājinājums atkarībā [a] no viļņu garuma λ vienmodu kvarca optiskajā šķiedrā

 

I II III – pārraides logi

A - Releja izkliede

B - hidroksila jonu absorbcija

C - absorbcija ultravioletajā gaismā

D - absorbcija infrasarkanajā gaismā

E - zudumi viļņvadā

Absorbcija ir parādība, kas balstās uz elektromagnētiskā viļņa enerģijas raidīšanu līdz centra materiālam, kurā tā tiek izkliedēta (zīm. 2). Vēlāk šī enerģija izkliedējas daļiņu svārstībās (galvenokārt, siltuma svārstībās) vai emisijas veidā. Šo enerģiju daļiņa uzsūc tikai stingri noteiktos daudzumos (kvantos), ko nosaka elektromagnētisko viļņu frekvences ν. Fotonu absorbcija nodrošina enerģijas nodošanu, kas nepieciešama daļiņu aktivēšanai augstākajā enerģijas līmenī, vienlaicīgi samazinot gaismas plūsmu.

 

Zīm. 2. Absorbcija

 

- fotona enerģijas kvants

E0 - enerģētiskais pamatlīmenis

E1 - inducētais enerģētiskais līmenis

Telekomunikācijas un multivides optiskajās šķiedrās vislielāko lomu spēlē absorbcija, īpaši pēc jonu piesārņojuma -OH. Mazāka nozīme ir infrasarkano staru absorbcijai un absorbcijai diapazonā UV.

 

0,95 μm un 1,38 μm gariem viļņiem izšķirošu ietekmi uz optisko zaudējumu izraisa jonu klātbūtne -OH, attiecīgi trešā un otrā harmoniskā svārstība. Viļņu garumam 1,23 μm jonu svārstības pārklājas ar -OH ar saitēm Si-O, Cu2+, Fe2+, Cr3+ un H2 (zīm. 1 – B). Jonu klātbūtne -OH ir atlikums pēc piesārņojuma ar ūdens tvaiku ražošanas procesa laikā. Pievienojot atbilstošus piemaisījumus, iespējams mainīt ne vien gaismas laušanas koeficientu n, bet arī absorbcijas pieaugumu (zīm. 3).

 

Zīm. 3. Vienības vājinājuma atkarība [a] no gaismas laušanas koeficienta izmaiņām Δn vienmodu kvarca optiskajā šķiedrā ar viļņu garumu 1 μm

 

Absorbcija ultravioletajā gaismā sasniedz maksimumu ar viļņu garumu 0,2 μm. Tas ir saistīts ar valences elektronu izsišanu no fotonu puses līdz vadītspējas zonai. Viļņiem, kas garāki par 0,8 μm absorbcija UV tiek izlaista (zīm. 1 – C).

 

No paša kvarca stikla īpašībām izriet, ka līdz ar viļņu garuma pieaugumu virs 1,6 μm, pieaug arī absorbcija infrasarkanajā gaismā (zīm. 1 – D). Viļņu garumam 9 μm kristāliskās struktūras Si02 tiek pakļautas rezonansei, kā rezultātā rodas maksimāls vājinājums un optiskā šķiedra pārstāj būt pārredzama.

 

Izkliede tā ir pavairotā starojuma virziena maiņa, ko izraisa materiāla nevienveidība elementārdaļiņu līmenī.
Noteicošo lomu telekomunikācijas un multivides optiskajās šķiedrās spēlē Releja izkliede, parādās arī Mie izkliedes parādība, piespiedu kombinētās gaismas (Ramana efekts) un Briljuēna izkliede.

 

Releja izkliedes rašanās iemesls (RR) serdes materiāla nevienveidība (ko izraisa stikla struktūras nepilnības) ar izmēriem, kas ir daudz mazāki par 0,03 λ. RR ir atgriezeniski proporcionāla ceturtās pakāpes viļņa garumam (zīm. 1 – A), līdz ar to nosakot kvarca optiskās šķiedras lietojamības robežu viļņiem, kas īsāki par 0,7 μm. No RR atkarīgo vājinājumu (aR) nosaka sekojoša formula:

 

k – materiāla konstante diapazonā no 0,7 līdz 0,8 (atkarībā no piemaisījuma daudzuma)

 

RR notiek sekojošā veidā: elektriskā sastāvdaļa, kas raida elektromagnētiskos viļņus, inducē elektriskā dipola momentu, kas svārstās līdz ar šī viļņa frekvenci. Dipols absorbē gaismas kvantu un nekavējoties emitē ar frekvenci, kas ir vienāda ar dipola svārstību frekvenci un krītošā viļņa frekvenci (zīm. 4). Izkliedētā viļņu virziens ir izlases, bet maz iespējams, ka emitēti tiktu dipola asij paralēli viļņi.

 

Zīm. 4. Releja izkliede

 

A - krītošais vilnis

B - izkliedēta dielektriskā daļiņa (mazāka par gaismas viļņa garumu)

C - pārejošais vilnis (lai saglabātu zīmējuma pārredzamību, netika ņemta vērā gaismas viļņa izplatīšanās virziena maiņa)

D - izkliedētie viļņi

λ[const] - viļņa garums

Mie izkliede (RM) rodas, kad gaismas vilnis tiek izkliedēts daļiņās vai molekulu grupās, kas lielākas vai vienādas ar šī viļņa garumu. Šis process nav tieši saistīts ar izkliedētā viļņu garumu, bet ar daļiņu izmēru un viļņu garuma attiecību. To raksturo parametrs α.

 

r – daļiņas rādiuss

 

Ja daļiņas izmērs ir salīdzināms ar viļņa garumu, izkliede ir (aptuveni) vienāda visos virzienos. Līdz ar dalījuma vērtības r/λ pieaugumu, pieaug arī izkliedes asimetrija (zīm. 5). Gadījumā, ja r>>λ, par dominējošo kļūst izkliede viļņa izplatīšanās virzienā (izkliede uz priekšu), bet krītošā viļņa garuma izmaiņas ir gandrīz nenozīmīgas.

 

Zīm. 5. Mie izkliede. Izkliede uz optiskās šķiedras serdes materiāla nepilnībām: A) – salīdzināma/lielāka par gaismas viļņa garumu, B) – ievērojami lielāka par gaismas viļņa garumu

 

Ņemot vērā optisko šķiedru ražošanas procesa uzlabojumus, izdevies (zināmā mērā) novērst gāzu burbuļus, kā arī radikāļu un kristāliskās piedevas, tādējādi samazinot RM radītos enerģijas zaudējumus līdz vērtībai 0,03 dB/km.

 

Piespiedu Briljuēna izkliede (SBS) un piespiedu kombinētās gaismas (Ramana efekts) (SRS) ir nelineāras parādības. Elektromagnētisko viļņu un centra materiālu mijiedarbība notiek pēc optiskās jaudas robežvērtības pārsniegšanas.

 

SBS parādās tad, kad optiskās šķiedras kabeļos ir modi ar vairāku mW optisko jaudu. Tādā gadījumā veidojas apgrieztais vilnis un fotonu enerģija caur centra matēriju tiek nosūtīta uz akustiskajiem fotoniem. Rezultātā vadošā moda frekvence tiek pārvirzīta:

 

n – gaismas laušanas koeficients
ν – skaņas viļņa ātrums centrā

 

SRS parādīsies, pārsniedzot 1 W optisko jaudu un balstās uz modu iedarbību ar centra materiāla molekulu vibrācijām. Gaisma, kas tiek izkliedēta, nodod fotona enerģijas kvantu izkliedējošajai daļiņai un maina frekvenci. Tam seko lielākas frekvences modu optiskās jaudas samazināšanās (zondējošie modi) un viļņu jaudas palielināšanās (sūknēšana) ar frekvenci mazāku par Stokes frekvenci. Silīcija optiskās šķiedras kabeļos katri divi viļņi ar frekvences atšķirību 15 THz tiks savā starpā sapāroti ar SRS.

 

Vēl viens zudumu avots ir šķiedras izliekumi gan makro, gan mikroskopiskajā skalā.

 

Vilnis, kas izplatās gareniski optiskajai šķiedrai un sastopas ar izliekumu, nokrīt uz robežas starp dielektriķi un serdi citā leņķī, nekā uz taisna šķiedras posma. Kad krišanas leņķis ir mazāks par robežleņķi, pilnīga iekšējā atstarošana nenotiek. Modi tiek daļēji konvertēti par starojuma modiem, kas izraisa lūšanu aiz optiskās šķiedras serdes, līdz ar to arī aiz dielektriķa (zīm. 4). Daļa enerģijas tiek pazaudēta.

 

Zīm. 4. Zaudējumi (noplūdes modi) rodas optiskās šķiedras kabeļa izliekumos – makroizliekumi

 

Θ - gaismas viļņa krišanas leņķis uz serdes-dielektriķa robežas optiskās šķiedras lieces vietā

Θg - robežleņķis pilnīgai iekšējai atstarošanai

No zaudējumiem, kas radušies lieces vietā nav iespējams izvairīties, bet tos ir iespējams minimalizēt, reducējot izliekumu skaitu, bet vietās, kur tas ir nepieciešams – izmantojot liekumus ar vislielāko līknes rādiusu, kāds iespējams. Katrs optiskās šķiedras ražotājs norāda minimālo liekšanas rādiusu, kādu jāievēro kabeļa ievilkšanas brīdī. Tas ir parametrs, ko nedrīkst mainīt, lai nepasliktinātu kabeļa parametrus.

 

Mikroizliekumi rodas šķiedru ražošanas procesa laikā. Zem šī apzīmējuma slēpjas visa veida robežas atkāpes starp serdi un dielektriķi gan nejauša rakstura (mikroplaisas, piemaisījumi, gāzes burbuļi), gan cikliskas dabas (piem., serdes diametra vai ģeometrijas izmaiņas un mikroplaisas, kas radušās periodiska sprieguma palielināšanās laikā šķiedras uztīšanas brīdī uz cilindra).

 

Zīm. 5. Zaudējumi (noplūdes modi), ko izraisa nepilnības optisko šķiedru struktūrā – mikroizliekumi

 

A - robežas atkāpes starp dielektriķi un serdi

B - piesārņojums ar joniem

Mikroizliekumi daudzmodu optiskās šķiedras kabeļos izraisa modu savienošanos un modu enerģijas konversiju uz radiācijas modiem. Vienmodu optiskās šķiedras kabeļos kalpo par iemeslu moda izdzišanai.