Slabljenja optičnokabelskega vlakna

Dušenje (slabljenje) je izraz za kakršen koli pojav, ki povzroča zmanjšanje moči širečega se signala brez hkratnega vpliva na njegovo obliko.

Za matematični opis z dušenjem povzročenih izgub moči v optičnem kablu se uporablja parameter imenovan slabljenje na enoto a, merjen na odseku 1 km. Izraža se v dB/km in ga opredeljuje ta formula:

P(l₁) in P(l₂) – optična moč merjena v optičnem kablu v točkah l₁ in l₂ oddaljenih ena od druge za L

Dušenja narašča eksponentno sskupaj s povečanjem dolžine vlakna, s čemer se omejuje zaseg prenosa. Povečanje dušenja za 3 dB ustreza zmanjšanju moči širečega se signala za 50%.

Izguba moči zaradi dušenja obsega pojave, ki imajo materialno podlago, ki so povezani s fizikalnimi lastnostmi samega materiala jedra, ter valovodne izgube, izhajajoče iz konstrukcije optičnega kabla (sl. 1). K materialnim izgubam prištevamo tudi vse vrste absorpcij in razprševanj. Valovodne izgube pa pomenijo izgubo energije, povzročeno, med drugim z mikro- in makrofleksijami, neenakomernostjo porazdelitve lomnega količnika na meji jedro-plašč ter z nihanjem premera ali oblike te meje.

Absorbcija je pojav, temelječ na prenosu energije elektromagnetnega vala na material središča, v katerem se val razhaja (sl. 2). Ta energija se potem izloči v obliki vibracij delcev (predvsem toplotnih vibracij) ali z emisijo. Energijo lahko absorbirajo delci le v določenih porcijah (kvantih), ki so določene s frekvenco elektromagnetnega valovanja ν. Absorbcija fotona povzroči prenos energije, potrebne za mobilizacijo delca na višjo energetsko raven, s čimer se hkrati zmanjša svetlobni tok.

Pri telekomunikacijskih in multimedijskih optičnih kablih igra največjo vlogo absorbcija z onesnaževanjem, zlasti ionov -OH. Manj pomembni sta infrardeča absorbcija in absorbcija v območju UV.

Za valove dolžin 0,95 μm in 1,38 μm ima odločilen vpliv na optične izgube prisotnost ionov -OH, za katere se pojavlja druga oziroma tretja harmonija vibracij. Pri valovih dolžin 1,23 μm se vibracije ionov prekrivajo -OH z vezavami Si-O, Cu²⁺, Fe²⁺, Cr³⁺ in H₂ (sl. 1 – B). Prisotnost ionov -OH je ostanek po onesnažitvi z vodno paro med proizvodnim procesom. Z dodatkom ustrezne primesne snovi, se vpliva ne samo na spremembo lomnega količnika n, pač pa tudi na povečanje absorbcije (sl. 3).

Sl. 3. Odvisnost dušenja na enoto [a] od spremembe lomnega količnika Δn v enonačinovnem kremenčevem optičnem kablu pri dolžini vala 1 μm

Absorpcija v ultravijolični svetlobi dosega maksimum pri valovni dolžini 0,2 μm. To je povezano z izbijanjem valenčnih elektronov s strani fotonov v prevodniški pas. Pri valovnih dolžinah večjih od 0,8 μm je absorpcija v UV zanemarljiva (rys. 1 – C).

Iz lastnosti samega kremenčevega stekla izhaja tudi to, da se hkrati s povečanjem dolžine valov nad 1,6 μm poveča absorpcija v infrardeči svetlobi (sl. 1 - D). Pri dolžini valov 9 μm kristalne strukture Si0₂ vpadajo v resonanco, kar ima za posledico največje dušenje in optični kabel preneha biti pregleden.

Rozprševanje je sprememba smeri širjenja sevanja, ki ga povzroči neheterogenost materiala na molekularnem nivoju.
Vodilno vloga v telekomunikacijskih in multimedijskih optičnih kablih odigrava Rayleighovo sipanje, pojavljajo se tudi pojavi sipanja Mie in prisilnega sipanja Ramana in Brillouina.

Vzrok pojavljanja Rayleighejevega sipanja (RR) so nehomogenosti materiala jedra (povzročene z nepopolnostjo strukture stekla) velikosti znatno manjših od 0,03 λ. RR je obratno sorazmerno s četrto potenco dolžine svetlobnih valov (sl. 1 – A), s čemer je hkrati določena meja uporabnosti kremenčevih optičnih kablov za valove krajše od 0,7 μm. Od RR odvisno dušenje (a_R) opisuje formula:

k – materialna konstanta, nahajajoča se na razponu med 0,7 in 0,8 (odvisno od količine primesi)

RR poteka kot sledi: električna sestavina vpadnega elektromagnetnega vala inducira vibracijski dipolni električni moment s frekvenco tega vala. Dipol absorbira kvant svetlobe, nakar ga takoj emitira s frekvenco enako frekvenci vibriranja dipola, s tem samim pa tudi vpadnega vala (sl. 4). Smer razsipanega vala je naključna, vendar pa se z manjšo verjetnostjo emitirajo valovi vzporedno z osjo dipola.

Sipanje Mie (RM) se pojavlja, kadar se svetlobni val razpršuje na delcih ali skupinah molekul velikosti primerljivih z ali večjih od dolžine tega vala. Ta proces ni neposredno povezan z dolžino rapršenega vala, pač pa je povezan s kvocientom velikosti delca in dolžino vala. Opisuje ga parameter α.

r – polmer delca

Kadar je velikost delca primerljiva z dolžino vala, je disperzija (sipanje) (približno) enakomerna v vseh smereh. Skupaj s povečanjem vrednosti kvocienta r/λ se poveča asimetrija v opazovani disperziji (sl. 5). V primeru, ko je r>>λ, postane prevladujoče sipanje v smeri skladni z razpršenim valom (razpršitev naprej), a sprememba dolžine vpadnega vala je praktično zanemarljiva.

Sl. 5. Sipanje Mie. Sipanje na nepopolnostih materiala jedra optičnega kabla: A) - primerljivih/večjih od dolžine svetlobnega vala, B) - veliko večjih od dolžine svetlobnega vala

Z izboljšanjem tehnološkega procesa proizvodnje optičnih kablov je uspelo (v veliki meri) izločiti mehurje plinov, grozdov primesnih elementov ali kristalitov, s čemer so bile izgube moči, povzročene z RM, zmanjšane do vrednost reda 0,03 dB / km.

Prisilno sipanje Brillouina (SBS) in prisilno sipanje Ramana (SRS) sta nelinijska pojava. Do interakcij med elektromagnetnim valom in materialom središča prihaja po prekoračitvi mejne vrednosti optične moči.

SBS se pojavlja, kadar se v optičnih kablih izvajajo modi z optično močjo reda nad deset mW. Tedaj nastane povratni val, dodatno pride do prenosa energije fotonov prek materije središča na akustične fonone. Poleg tega pride do premika frekvence vodenega moda za:

n – koeficient lomljenja svetlobe
ν – hitrost zvočnega vala v središču

SRS se pojavlja po prekoračitvi optične moči reda velikosti 1 W in temelji na interakciji med modi, vodenimi z molekularnimi vibracijami materiala središča. Svetloba, ki se razpršuje, preneses kvant energije fotona razpršujočemu se delcu in spremeni svojo frekvenco. Posledica tega je zmanjšanje optične moči modov z večjo frekvenco (sondirnih modov) in povečanje moči (črpanje) s frekvenco, ki je nižja od frekvence Stokesa. V silicijevih optičnih kablih se vsaka dva vala s frekvenčnim razliko reda velikosti 15 THz sklopita skupaj prek SRS.

Naslednji vir izgub so upogibi vlakna tako na makro ravni, kot mikroskopsko.

Val, ki se širi vzdolž optičnega kabla in naleti na upogib, udari na mejo med plaščem in jedrom pod drugačnim kotom kot na ravnem delu kabla. Če je vpadni kot manjši od mejnega kota, do pojava celotnega notranjega odboja ne prihaja. Vodeni modi se delno konvertirajo v sevalne mode, kar rezultira zlom izven jedra optičnega kabla, kot tudi izven plašča (sl. 4). Del ​​energije se torej izgublja.

Izgube nastale na upogibih, so neizogibne, možno jih je zmanjšati z zmanjšanjem števila upogibov, na mestih, kjer so upogibi potrebni, pa kolikor se da s povečanjem polmerov zavojev. Vsak proizvajalec optičnih kablov podaja minimalni polmer krivljenja, ki ga je treba upoštevati pri razpeljevanju kabla. To je parameter, ki se ga ne sme spreminjati, da se ne poslabša bistveno parametrov kabla.

Mikroupogibi se pojavijo med proizvodnjo vlaken. To zajema vse vrste nepravilnosti oblike meje med jedrom in plaščem, ki so tako naključne (mikrorazpoke, koncentracije primesi, plinski mehurčki) kot ciklične (npr. spremembe premera ali geometrije jedra ter mikrorazpoke, nastale s periodičnimi povečanji napetosti tekom navijanja vlaken na boben).

Mikroupogibi v večmodnih optičnih kablih povzročajo sklapljanje modov ter pretvorbo energije vodenih k sevalnim modom. V enomodnih optičnih kablih so vzrok zameglevanja moda.