Optisten kuitujen vaimentaminen

Vaimennus on jokatyypin ilmio, jonka seurauksena saamme levitetyn signaalivirran vähenemisen, koka ei vaikuta sen muotoon.

Yksikön vaimennusparametriä a käytetään matemaattisessa optisen kuidun tehon menetyskuvauksessa jonka vaimennus on aiheuttanut, 1 km jakson puitteessa mitattuna. Se ilmaistaan dB/km ja seuraavan kaavan määrittelemä:

P(l₁) ja P(l₂) – optinen teho optisessa kuidussa mitattuna kohdissal₁ i l₂ etäällä toisistaan L

Vaimennus ilmenee eksponentiaalisesti samalla kun kuidun pituus lisääntyy, samaan aikaan siirtokantamaa vähentämällä. Vaimennuksen lisääntyminen 3 dB:llä vastaa virran pudotukseen 50%:lla leviävässä signaalissa.

Virtahäviöt, jotka ovat vaimennuksen aiheuttamat sisältävät ilmiön, joka perustuu materiaaliin, joka on liitetty ydinmateriaalin fyysisiin ominaisuuksiin ja aaltoputkihäviöihin, jotka tulevat optisen kuiturakenteen tuloksena (Kuva 1). Materiaalihäviöt sisältävät kaikentyyppisiä vaimennuksia ja hajaannuksia. Aaltoputkihäviöt ovat energian häviöitä, jotka ovat, monen muun muuassa mikrotaipumien ja makrotaipumien, valon taittumiskertoimen ei-yhtenäisen jakelun aiheuttamia ydinrajassa ja halkaisijan kuoren tai vaihtelun tai sellaisen rajoituksen muodon aiheuttama.

Vaimennus on sellainen ilmiö, joka koostuu elektromagneettisen aaltoenergian siirrosta keskusmateriaaliin jossa se hajoaa (Kuva 2). Tämä energia hälveää myöhemmin hiukkasten heilahtelun muodossa (ensisijaisesti lämpöheilahtelulla) tai päästön kautta. Energiaa voi imeytyä osiin ehdottomasti määrättyihin osiin (hiukkanen), jotka on määritelty elektromagneettisen aaltotaajuuden mukaan ν. Valohiukkasen imeytyvyys aiheuttaa energian siirron, jota tarvitaan hiukkasten indusoimiseen suurimmalle energeettiselle tasolle, samaan aikaan vähentämällä valaovirtaa.

Televiestinnässä ja monimedian optisissa kuiduissa, vaimennus saastumisen kautta, nimenomaisissa ioneissa -OH, on kaikkein tärkein osa. Vaimennus infrapunassa ja vaimennus UV kantamissa on vähemmän merkittävä.

Niiden aaltojen tapauksessa, joiden pituus on 0,95 μm ja 1,38 μm on määräävä vaikutus kohdistunut optisiin häviöihin ionien -OH läsnäololla, jonka vuoksi löytyy vastaavasti kolmas ja toinen värähtelyn komponentti. 1,23 μm ionin aaltopituuden vuoksi värähtelyn limitys-OH sidoksilla Si-O, Cu²⁺, Fe²⁺, Cr³⁺ ja H₂ (Kuva 1 – B). -OH ionien läsnäolo on jäännös vesihöyryn saastumisen jälkeen valmistusprosessin aikana. Sopivien lisäysten avulla on mahdollista vaikuttaa valon taittumiskertoimen muutokseen n ja imeytyvyys lisääntyy (Kuva 3).

Kuva 3. Yksikkövaimennuksen huollettavuus [a] valon taittumiskertoimen muutoksessa Δn kvartsin optisessa kuidussa, kerta-tilassa, aaltopituuden ollessa 1 μm

Vaimennus ultravioletissa saavuttaa maksimin aaltopituuden ollessa 0,2 μm. Se on liitetty heitettyyn valenssielektroniin fotoneilla, johtokykykaistalla. Pidempien, kuin 0,8 μm aaltojen tapauksessa vaimennus UV on merkityksetön (Kuva 1 – C).

Kvartsilasin ominaisuudet esittävät sen, että aaltopituus kasvaa yli 1,6 μm infrapunan vaimennus kasvaa myös (Kuva 1 – D). Aaltopituuden ollessa 9 μm, kristallirakenteet Si0₂ on altistettu värähtelylle, jonka tuloksena saamme maksimi vaimennuksen ja optinen kuitu ei enää ole läpinäkyvä.

Hajonta on muutos on kartutetun säteilysuuntainen muutos, jonka materiaalin ei-yhtenäisyys on aiheuttanut hiukkastasolla.
Vallitseva toiminta televiestinnässä ja monimedian optisissa kuiduissa on Rayleigh-hajonnan suorittama; on myös olemassa mie hajonta ja Raman sekä Brillouin hajonta.

Syy Rayleigh hajonnan (RR) ilmaantumiselle on ydinmateriaalin ei-yhtäläisyys (jonka lasin rakenteen epätäydellisyys on aiheuttanut) joissa mitat ovat merkittävästi alhaisemmat, kuin 0,03 λ. RR on käänteisesti suhteellinen virran neljään valon aaltopituudesta (Kuva 1 – A), näin määrittäen kvartsi optisten kuitujen käyttävyytä lyhyempein kuin 0,7 μm aaltojen tapauksessa. Vaimennusta, joka riippuu RR (aR):stä kuvataan seuraavalla kaavalla:

k –materiaalin jatkuva kattavuus 0,7 ja 0,8 välillä (riippuen lisäaineiden määrästä)

RR ilmenee seuraavalla tavalla: tulevan elektromagneettisen aallon sähkökomponentti herättää sähköisen dipolihetken, joka hajoaa aaltotaajuuden kanssa. Dipoli imee valon hiukkasen ja se päästää sen heti taajuuden tasoittamisella dipolin hajontataajuuden ja tulevan aallon (Kuva 4). Hajotettu aalto on satunnainen, mutta se on paljon epätodennäköisempi että ne aallot, jotka ovat rinnakkain dipoliakselia ovat päästettyjä.

Mie hajonta (RM) ilmenee, kun valon aalto hajoaa hiukkasiin tai molekyyliryhmiin, joiden koko on verrannollinen tai suurempi kuin aaltopituus. Tämä prosessi ei ole suoraan liitetty hajotetun aallon pituuteen, vaan hiukkasten koon ja aaltopituuden osamäärään. Se kuvataan seuraavalla parametrillä α.

r – hiukkasten säde

Kun hiukkasten koko on verrattavissa aaltopituuteen, hajonta on (noin) sama kaikkiin suuntiin. Samalla, kun osamäärän arvo kasvaa r/λ, epäsymmetria lisääntyy tarkastellussa hajonnassa (Kuva 5). Kun r>>λ, hajonta suunnassa, joka on yhtäpitävä hajoavan aallon kanssa on vallitseva (eteenpäin hajoava), ja tulevan aaltopituuden muutos on käytännöllisesti merkityksetön.

Kuva 5. Mie-hajoaminen. Hajoaminen materiaalin epätäydellisyyksissä kuitu-optisessa ytimessä: A) – verrattavissa/suurempi kuin valon aaltopituus, B) – merkittävästi suurempi, kuin valon aaltopituus

Optisten kuitujen teknologiaprosessin parantamisen kautta kaasukuplat (merkittävin osin) sekä lisäradikaalit ja krystaliitit eliminoitiin; näin vähentämällä ne virtahäviöt, jotka RM on aiheuttanut arvoon 0,03 dB/km.

Pakotettu Brillouin hajotus (SBS) ja pakotettu Raman hajotus (SRS) ovat ei-lineaarinen ilmiö. Elektromagneettisen aallon ja keskusmateriaalin vuorovaikutus tapahtuu optisen virran rajan ylittämisen jälkeen.

SBS ilmenee, kun kuitu-optiikkakaapeleissa on tilat, joissa on usean mW optinen virta. Käänteisaalto muodostuu ja fotonin energia on siirretty keskusaineen läpi akustisiin fotoneihin. Tilaledin taajuus on vaihdettu:

n – valon taittumiskerroin
ν – ääniaallon nopeus keskuksessa

SRS ilmenee, kun 1 W optinen virta ylitetään ja se koostuu tilaledien vaikutuksesta keskusmateriaalin molekulaarivärähtelyjen kanssa. Kevyt, kuitenkin hajoitettu, kuljettaa fotonienergian hiukkasen hajoitusosaan ja se muuttaa taajuutta. Seurauksena tilojen optinen virta, joilla on suurempi taajuus (koetustilat) on vähennetty ja alemman taajuuden aaltovirta (pumppaus) on lisääntynyt Stokes-taajuudella. Silikonioptisissa kuiduissa joka toinen aalto, joilla on 15 THz:n taajuusero, paritetaan SRS:n kautta.

Toinen häiviölähde on taivuttaa kuitua, makroskooppia ja mikroskooppia.

Aalto, joka kartuttaa yhdessä optista kuitua pitkin ja kohtaa taiton, tapahtuu rajapinnalla kuoren ja ytimen välillä eri kulmissa kuin suora kuituoptinen jakso. Kun tapahtumakulma on alhaisempi, kuin rajakulma, kokonaisten sisäheijastusten ilmiöitä ei ilmene. Tilaledit ilmenevät useammin osittaisissa muunnoksissa valonlähdetiloissa, joiden tuloksena saamme taittumisen optisten kuituydinten yli ja kuorten yli (Kuva 4). Energiaosa on menetetty.

Häviöt, jotka muodostuvat taitoksessa ovat välttämättömiä; ne voidaan minimoida taitostenmäärän minimoimisella; ja paikoissa, joissa taitokset ovat tarpeen – taitosten tekeminen suuremmalla kkurvisäteellä on mahdollista. Optisen kuidun jokainen valmistaja antaa minimitaitossäteen, jota on noudatettava, kun asetetaan kaapelit. Tämä on se parametri, jota ei saa muuttaa jottei kaapelin parametrit rappeudu.

Mikrotaitokset jotka muodostuvat kuidun tuotantovaiheessa. Nämä kaikki ovat säännöttömyystyyppejä rajan muodossa ytimen ja kuoren välissä, jotka ovat satunnaisia (mikropurskahdukset, lisäaineryhmät, kaasukuplat) sekä jaksolliset (esim. muutokset halkaisijassa tai ytimen geometriassa tai mikropurskahdukset, jotka muodostuvat jännitteen ajoittaisesta lisääntymisestä samalla kun kuitua rullataan rummulla).

Mikrotaitokset monitilaisissa optisissa kuiduissa aiheuttavat tilan parituksen ja tilojen energianmuutoksen säteilytiloihin merkittynä. Kertatilan optisissa kuiduissa ne aiheuttavat tilan epäterävyyden.