TopTechninis žodynasŠviesolaidžio pluošto slopinimas

Šviesolaidžio pluošto slopinimas

Slopinimu vadiname įvairių rūšių reiškinius, kurie mažina programuojamo signalo galią, kurie tuo pačiu metu neturi įtakos jo formai.

 

Matematiniam aprašymui dėl galios slopinimo netekties šviesolaidyje naudojamas yra parametras vadinamas vieneto slopinimu a, matuojamas 1 km atkarpoje. Jis yra pateikiamas dB/km ir nurodomas formule:

 

P(l1) ir P(l2) – optinė galia matuojama šviesolaidyjel1 irl2 nuotolyje nuo savęs L

 

Slopinimas didėja kartu su pluošto ilgio didėjimu, apribojant tuo pačiu transliavimo diapazoną. Slopinimo padidėjimas 3 dB atitinka pasirenkamo signalo galiai 50%.

 

Galios praradimas dėl slopinimo, tai materialinio pagrindo reiškiniai, susiję su fizinėmis šerdies medžiagos savybėmis, o taip pat bangų tiesimo netektys, dėl šviesolaidžio konstrukcijos (1 pieš.). Prie materialinių netekčių pridedame įvairios rūšies absorbcijas ir sklaidymus. Bangų tiesimo nuostoliai tai energijos praradimas dėl tarp kitų. mikro- i makro sulenkimų, šviesos lūžio rodiklio padėties nevienodumo ribose šerdis- gaubtas ar skersmens arbatos ribos formos kintamumo.

 

1 pieš. Priklausomai nuo vienetinio slopinimo [a] bangos ilgio λ kvarco vieno modo šviesolaidyje

 

I II III - transliavimo langai

A - Rayleigh išbarstymas

B - hidroksilo jonų absorbcija

C - ultravioletinė absorbcija

D - infraraudonųjų spindulių absorbcija

E - bangų tiesimos nuostoliai

Absorbcija tai reiškinys, kuris pasižymi elektromagnetinių bangų energijos į medžiagos centrą, kur sklinda banga (2 pieš.). Ta energija paskui yra išleidžiama dalelių virpesių formoje (didelėje dalyje šilumos virpesiais) arba per emisiją. Energiją gali įtraukti dalelė tik tiksliai nustatytomis porcijomis (kvantais), kurios yra determinuojamos elektromagnetinių bangų dažnyjeν. Fotono sugeriamumas priveda prie energijos, reikalingos dalelės patekimui į aukštesnį energetinį lygį, tuo pačiu mažinant šviesos šaltinį.

 

2 pieš. Absorbcija

 

- fotono energijos kvantas

E0 - pagrindinis energetinis lygis

E1 - sukeltas energetinis lygis

Telekomunikacijos ir multimedijų šviesolaidžiuose, didžiausią vaidmenį atlieka absorbcija dėl užteršimų, ypač jonų -OH. Mažesnę reikšmę turi infraraudonųjų spindulių absrobcija ir apsorbcija UV.

 

Bangoms, kurių ilgis 0,95 μm ir 1,38 μm esminę įtaką turi optiniams nuostoliams turi jonų buvimas -OH, kuriems tinkamai būna treti ir antri harmoningi virpesiai. Kai bangos ilgis 1,23 μm susideda jonų virpesiai -OH su rišimais Si-O, Cu2+, Fe2+, Cr3+ oraz H2 (1 – B pieš.). Jonų buvimas -OH tai liekanos po užteršimo vandens garais produkcijos proceso metu. Pridedant tinkamas priemaišas, įtakojama ne tik šviesos lūžio rodikliui n, bet ir absorbcijos didėjimui (3 pieš.).

 

3 pieš. Vienetinio slopinimo priklausomumai [a] nuo šviesos lūžio rodiklio pakeitimo Δn kvarciniame vieno modo šviesolaidyje kurio ilgis 1 μm

 

Absorbcija viršviolete pasiekia daugiausiai, esant bangos ilgiui 0,2 μm. Tai yra susiję su valencinių eleketronų fotonus į tiesimo juostą išmušimu. Bangoms ilgesnėms negu 0,8 μm absorbcija UV yra aplenkiama (1 – C pieš.).

 

Iš kvarcinio stiklo savybės rodo, kad kartu su bangos ilgio didėjimu virš 1,6 μm didėja infraraudonųjų spindulių absorbcija (1 – D pieš.). Kai banfos ilgis 9 μm kristalinės struktūros Si02 įeina į rezonansą, rezultate vyksta slopinimo maksimumas ir šviesolaidis nustoja būti skaidrus.

 

Dispersija yra tai pasirenkamos spinduliavimo krypties pakeitimas dėl medžiagos skirtingumo dalelių lygyje.
Dominuojantį vaidmenį telekomunikacijos ir multimedijų šviesolaidžiuose atlieka Rayleigh dipersija, tai pat vyksta Mie reiškiniai ir priverstina dispersija Raman ir Brillouin.

 

Rauleigh (RR) buvimo priežastis (RR) tai medžiagos šerdies skirtingumas (dėl stiklo struktūros nepakankamumo), kurio matmenys žymiai mažesni negu 0,03 λ. RR yra atvirkščiai proporcingas negu ketvirta šviesos bangos ilgio galingumas (1 – A pieš.), tuo pačiu nurodant kvarcinių šviesolaidžių naudingumo bangoms trumpesnėms negu 0,7 μm ribas. Slopinimą priklausomą nuo RR (aR) nurodo formulė:

 

k – medžiagos pastovioji telpanti apimtyje nuo 0,7 iki 0,8 (priklausomai nuo priemaišų kiekio)

 

RR vyksta tokiu būdu: sudėtinė elektrinė krentančios elektromagnetinės bangos sukelia elektros dipolinį virpantį momentą su tos bangos dažniu. Dipolis absorbuoja šviesos kvantą, po to iš karto skleidžia su dažniu lygiu dipolio dažniams, o tuo pačiu ir krentančios bangos (4 pieš.). Paskleistos bangos kryptis yra atsitiktinė, tačiau mažesnė tikimybė, kad yra skleidžiamos bangos lygiagrečiai su dipolio ašimi.

 

4 pieš. Rayleigh paskleidimas

 

A - krintanti banga

B - paskleista dielektrinė dalelė (mažesnė negu šviesos bangos ilgis)

C - pereinanti banga (dėl piešinio aiškumo išsaugojimo nebuvo atsižvelgiama į šviesos bangos pasirenkamos krypties pokytį)

D - išsklaidytos bangos

λ[const] - bangos ilgis

Mie (RM) pasklidimas vyksta, kai šviesos banga yra skleidžiama dalelėmis arba molekulių susikaupimuose palyginamo dydžio arba didesnio negu bangos ilgis. Procesas nėra tiesiogiai susijęs su skleidžiamos bangos ilgiu, bet su dalelės dydžio ir bangos ilgio dalmeniu. Aprašytas yra parametru α.

 

r – dalelės spindulys

 

Kai dalelės dydis yra palyginamas su bangos ilgiu, paskleidimas (maždaug) vienodai visomis kryptimis. Kartu su dalmens vertės didėjimu r/λ didėja asimetrija stebime paskleidime (5 pieš.). Atveju, kai r>>λ, esminis tampa paskleidimas kryptimi pagal skleidžiamą bangą (paskleidimas į priekį), o krentančios bangos ilgio pakeitimas yra praktiškai aplenkiamas.

 

5 pieš. Mie paskleidimas. Paskleidimas šviesolaidžio šerdies medžiagos nepakankomumuose A) – palyginami/didesni nuo šviesos bangos ilgio, B) – žymiai didesnis negu šviesos bangos ilgis

 

Dėl technologinio proceso šviesolaidžių gamybos gerinimo pavyko (žymiai) pašalinti dujų pūsles, pirmuonių ar kristalitų židinius, dėl kurių galios nuostoliai dėl RM buvo sumažinti iki vertės apie 0,03 dB/km.

 

Priverstinis paskleidimas Brillouin (SBS) ir priverstinis paskleidimas Raman (SRS) tai nelinijiniai reiškiniai. Veikimui tarp elektromagnetinės bangos ir centro medžiagos po optinės ribinės galios vertės peržengimo.

 

SBS atsiranda tada, kai šviesolaidžiuose tiesimia yra modai, kurių optinė galia keliolika mW. Tuomet atsiranda atbulinė banga, papildomai vyksta fotonų energijos perteikimas per centrą akustiniems fotonams. Be to vyksta tiesiamos modos perstūmimas:

 

n – šviesos lūžio rodiklis
ν – garso bangos greitos viduryje

 

SRS atsiranda peržengus optinę galią 1 W eigos ir remiasi modų veikimo principu su molekulinėmis centro medžiagos vibracijomis. Šviesa, paskleidžiama, perduoda fotono energijos kvantą paskleidimo dalelėje o taip pat keičia savo dažnį. To pasekme yra optinės galios modų sumažinimas su didesniu dažniu (zondo modai), o taip pat galios padidinimas (pompavimas) bangos, žemesnio dažnio, Stokes dažnio. Silicio šviesolaidžiuose kiekvienos dvi skirtingos bangos, kurių dažnis 15 THz bus su savimi suspaustos SRS.

 

Sekantis nuostolių šaltinis lenkimai pluoštai, makro- kaip ir mikroskopinėje skalėje.

 

Banga, kuri sklinda išilgai šviesolaidžio ir aptinka sulenkimus, krenta ant ribos tarp gaubto ir šerdies kitu kampu negu ant tiesios šviesolaidžio atkarpos. Kai kritimo kampas yra mažesnis negus ribinis kampas, reiškiniai visiško vidinio atspindžio nevyksta. Vykdomi modai dalinai pasikeičia į radiacijos modus, o to pasekme yra kritimas už šviesolaidžio šerdies, o taip pat už gaubto ribų (pieš.4). Tuomet dalis energijos yra prarandama.

 

4 pieš. Nuostoliai (ištekančios modos) atsiranda ant šviesolaidžio lenkimų - makrolenkimai

 

Θ - šviesos bangos kritimo kampas ant gaubto šerdies ribos ant šviesolaidžio lenkimo.

Θg - ribinis kampas visiškam vidiniam atspindžiui

Nuostoliai atsiradę ant lenkimų yra neišvengiami, galima juos minimalizuoti per lenkimų kiekio mažinimą, o vietose, kur jos yra būtinos - naudojant lenkimus, su kuo didžiausiu kreivės spinduliu. Kiekvienas šviesolaidžio gamintojas teikia minimalų lenkimo spindulį, kurį reikia įvertinti kabelio išdėstyme. Tai yra parametras, kurio negalima keisti, kad žymiai nepabloginti laido parametrų.

 

Mikrolenkimai atsiranda pluoštų gamybos etapo metu. Ši sąvoka slepia įvairios rūšies nereguliarumus ribos formoje tarp šerdimi ir gaubtu atsitiktinio pobūdžio (mikro įtrūkimai, priemaišų susikaupimai, dujų pūslės), kaip ir cikliškam ( pvz. skersmens pokyčiai ar šerdies geometrijos, o taip pat mikro įtrūkimai, atsirandantys per periodiškus įtempio padidėjimo, pluošto apvyniojimo ant būgno).

 

5 pieš. Nuostoliai (ištekantys modai), dėl nepakankamumų šviesolaidžio truktūroje atsiradimo - mikro lenkimai

 

A - ribos nereguliarumai tarp gaubto ir šerdies

B - užteršimas jonais

Mikro lenkimai daugelio modų šviesolaidžiuose priveda prie modų įtempimo, o taip pat modų energijos konversijos, vedančių prie radiacijos modų. Vienos modos šviesolaidžiuose yra modos išplaukimo priežastimi.