TopTechnický slovníkTlmenie optického vlákna

Tlmenie optického vlákna

Tlmenie vravíme javom všetkého druhu, ktoré vedú k tomu, že sa znižuje sila šíreného signálu, a zároveň nemajú vplyv na jeho tvar.

 

Pre matematický popis strát sily v svetlovode spôsobených tlmením sa používa parameter nazývaný jednotkový útlm a, meraný na úseku 1 km. Vyjadruje sa v dB/km a definuje sa vzorcom:

 

P(l1) a P(l2) – optický výkon meraný v svetlovode v bodoch l1 a l2 vzdialených od seba L

 

Tlmenie zásadne rastie spolu s nárastom dĺžky vlákna a obmedzuje tak dosah prenosu. Nárast tlmenia o 3 dB zodpovedá poklesu výkonu šíreného signálu o 50 %.

 

Na stratách spôsobených tlmením sa podieľajú javy, ktoré majú materiálové pozadie, javy spojené s fyzickými vlastnosťami samotného materiálu jadra a straty vlnovodu, plynúce z konštrukcie svetlovodu (obr. 1). Medzi materiálové straty radíme absorpciu a rozptyl všetkého druhu. Vlnovodné straty sú potom straty energie spôsobené napr. mikro- a makro ohybmi, nerovnomernosťou rozloženia indexu lomu svetla na hranici jadro-plášť alebo kolísaním priemeru, prípadne tvaru, tejto hranice.

 

Obr. 1. Závislosť jednotkového útlmu [a] na dĺžke vlny λ v jednovidovom kremennom optickom vlákne

 

I II III - okná

A - Rayleighov rozptyl

B - absorpcia v hydroxylových iónoch

C - ultrafialová absorpcia

D - infračervená absorpcia

E - vlnovodné straty

Absorpcia je jav spočívajúci v odovzdaní energie elektromagnetickej vlny do hmotného prostredia, ktorým sa vlna šíri (obr. 2). Táto energia je neskôr stratená v podobe vibrácií častíc (predovšetkým tepelných vibrácií) alebo prostredníctvom emisií. Energia môže byť vstrebaná časticou len v presne určených dávkach (kvantách), ktoré sú determinované frekvenciou elektromagnetickej vlnyν. Absorpcia fotónu vedie k odovzdaniu energie potrebnej na vybudenie častice na vyššiu energetickú úroveň a zároveň sa tak zmenšuje svetelný tok.

 

Obr. 2. Absorpcia

 

- kvantum energie fotónu

E0 - základná energetická úroveň

E1 - vybudená energetická úroveň

V telekomunikačných a multimediálnych svetlovodoch hrá najväčšiu rolu absorpcia znečistením, predovšetkým iónmi -OH. Menší význam má infračervená absorpcia a absorpcia v oblasti UV.

 

Pre vlny s dĺžkami 0,95 μm a 1,38 μm má rozhodujúci vplyv na optické straty prítomnosť iónov -OH, pre ktoré sa vyskytuje príslušne tretia a druhá harmonická vibrácií. Pri dĺžke vlny 1,23 μm sa vibrácie iónov prekrývajú -OH s väzbami Si-O, Cu2+, Fe2+, Cr3+ a H2 (obr. 1 – B). Prítomnosť iónov -OH je pozostatkom po znečistení vodnou parou počas výrobného procesu. Pridaním vhodných prídavných látok sa pôsobí nielen na zmenu indexu lomu n, ale aj na nárast absorpcie (obr. 3).

 

Obr. 3. Závislosť jednotkového útlmu [a] na zmene indexu lomu Δn v kremennom jednovidovom optickom vlákne pri dĺžke vlny 1 μm

 

Ultrafialová absorpcia dosahuje maximum pri dĺžke vlny 0,2 μm. To sa spája s depopuláciou fotónov valenčných elektrónov do pásma vodivosti. Pre vlny dlhšie než 0,8 μm je absorpcia v UV zanedbateľná (obr. 1 – C).

 

Z vlastností samotného kremenného skla tiež vyplýva, že spoločne s nárastom dĺžky vlny nad 1,6 μm narastá tiež infračervená absorpcia (obr. 1-D). Pri dĺžke vlny 9 μm kryštalickej štruktúry Si02 upadajú do rezonancie, vo výsledku vzniká maximálny útlm a svetlovod prestáva byť transparentný.

 

Rozptyl je zmena smeru šírenia žiarenia spôsobená nehomogenitou materiálu na elementárnej úrovni.
Dominantnú rolu v telekomunikačných a multimediálnych optických vláknach zohráva Rayleighov rozptyl, vyskytujú sa tiež javy Mieovho rozptylu a nelineárny Brillouinov rozptyl a Ramanov jav.

 

Príčinou výskytu Rayleighovho rozptylu (RR) sú heterogenity materiálu jadra (spôsobenie nedokonalosťami štruktúry skla) s výrazne menšími rozmermi než 0,03 λ. RR je nepriamo úmerný štvrtej mocnine vlnovej dĺžky svetla (obr. 1-A) a určuje hranicu užitočnosti kremenných optických vlákien pre vlny kratšie než 0,7 μm. Útlm závislý na RR (aR) popisuje vzorec:

 

k – materiálová konštanta pohybujúca sa v rozpätí 0,7 až 0,8 (v závislosti na množstve prísad)

 

RR prebieha nasledovne: elektrická zložka dopadajúcej elektromagnetickej vlny indukuje elektrický dipólový moment na oscilačnej frekvencii tejto vlny. Dipól vstrebáva kvantum svetla, potom ho okamžite emituje s frekvenciou rovnou frekvencii vibrácií dipólu a tým aj dopadajúcej vlne (obr. 4). Smer rozptýlenej vlny je náhodný, ale s nižšou pravdepodobnosťou sú emitované vlny rovnobežné s osou dipólu.

 

Obr. 4. Rayleighov rozptyl

 

A - dopadajúca vlna

B - disipatívne dielektrikum častíc (menšie než dĺžka svetelnej vlny)

C - prechádzajúca vlna (na zachovanie prehľadnosti obrázku neboli zohľadnené zmeny smeru šírenia svetelnej vlny)

D - rozptýlené vlny

λ[const] - dĺžka vlny

Mieov rozptyl (MR) nastáva, keď je svetelná vlna rozptýlená na časticiach alebo na zhlukoch molekúl s veľkosťou porovnateľnou alebo väčšou než je dĺžka tejto vlny. Tento proces priamo súvisí s dĺžkou rozptyľovanej vlny, ale s kvocientom rozmeru častice a dĺžky vlny. Popisuje sa parametrom α.

 

r – polomer častice

 

Keď je veľkosť častice porovnateľná s dĺžkou vlny, je rozptyl (približne) vo všetkých smeroch rovnomerný. Spolu s nárastom hodnoty kvocientu r/λ narastá asymetria v pozorovanom rozptyle (obr. 5). V prípade, keď je r>>λ, sa dominantným stáva rozptyl v smere zhodnom s rozptyľovanou vlnou (rozptyl dopredu) a zmena dĺžky dopadajúcej vlny je prakticky zanedbateľná.

 

Obr. 5. Mieov rozptyl Rozptyl na nedokonalostiach materiálu jadra svetlovodu: A) – porovnateľných/väčších než je dĺžka svetelnej vlny, B) – výrazne väčších než je dĺžka svetelnej vlny

 

Vďaka zdokonaleniu technického procesu výroby optických vlákien sa podarilo (do značnej miery) odstrániť bublinky plynov, zhluky pridávaných prvkov alebo kryštálikov, vďaka čomu boli straty spôsobené MR obmedzené na hodnotu v ráde 0,03 dB/km.

 

Brillouinov rozptyl (SBS) a Ramanov jav (SRS) sú nelineárne javy. K pôsobeniu medzi elektromagnetickou vlnou a materiálom prostredia dochádza po prekročení hraničnej hodnoty optického výkonu.

 

SBS objaví sa, keď sú v svetlovodoch vedené vidy s optickým výkonom v ráde niekoľkých mW. Potom vzniká spätná vlna, navyše dochádza k odovzdaniu energie fotónov materiálom prostredia akustickým fonónom. Okrem toho dochádza k posunu frekvencie vedeného vidu o:

 

n – index lomu
ν – rýchlosť zvukovej vlny v prostredí

 

SRS objaví sa po prekročení optického výkonu v ráde 1 W a spočíva v pôsobení vedených vidov s molekulárnymi vibráciami materiálu prostredia. Svetlo, podliehajúce rozptýleniu, odovzdáva kvantum energie fotónu rozptyľujúcou časticou a mení svoju frekvenciu. Dôsledkom je pokles optického výkonu vidov s vyššou frekvenciou (sondujúcich vidov) a zvýšenie sily (pumpovanie) vlny s frekvenciou nižšou než je Stokesova frekvencia. Pri kremenných optických vláknach budú každé dve vlny s rozdielom vo frekvencii v ráde 15 THz vzájomne spojené SRS.

 

Ďalším zdrojom strát je ohyb vlákna, a to tak v makro, ako aj v mikroskopickom meradle.

 

Vlna, ktorá sa šíri pozdĺž optického vlákna a narazí na zlom, dopadá na hranicu medzi plášťom a jadrom pod iným uhlom než na rovnom úseku svetlovodu. Keď je uhol dopadu menší než hraničný uhol, nevyskytuje sa jav úplného vnútorného odrazu. Vedené vidy podliehajú čiastočnej konverzii vo vyžarované vidy, čo má za následok zalomenie mimo jadro svetlovodu a tiež mimo plášť (obr. 4). Časť energie je teda stratená.

 

Obr. 4. Straty (presakujúce vidy) vzniknuté na ohyboch svetlovodu - makroohyby

 

Θ - uhol dopadu čela svetelnej vlny na hranici jadro-plášť v ohybe optického vlákna

Θg - hraničný uhol pre celkový vnútorný odraz

Stratám vznikajúcim na ohyboch sa nedá zabrániť, možno ich minimalizovať pomocou redukcie počtu ohybov a na miestach, kde sú nevyhnutné, pomocou používania ohybov s čo najväčším polomerom zakrivenia. Každý výrobca optického vlákna uvádza minimálny polomer ohybu, ktorý je nutné zohľadniť pri kladení kábla. Je to parameter, ktorý sa nedá zmeniť, aby sa výrazne nezhoršili parametre vodiča.

 

Mikroohyby vznikajú počas etapy výroby vlákien. Pod týmto pojmom sa skrývajú všetky druhy nepravidelností v tvare hranice medzi jadrom a plášťom tak náhodného charakteru (mikropraskliny, zhluky prímesí, bublinky plynu), ako aj cyklického (napr. zmeny priemeru alebo geometrie jadra a mikropraskliny vzniknuté pravidelným zvyšovaním napnutia počas navíjania vlákien na bubon).

 

Obr. 5. Straty (presakujúce vidy) spôsobené výskytom nedokonalostí v stavbe optického mikrovlákna - mikroohybov

 

A - nepravidelnosti hranice medzi plášťom a jadrom

B - znečistenie iónmi

Mikroohyby na viacvidových optických vláknach vyvolávajú spájanie vidov a konverziu energie vidov vedených k vyžarovaným vidom. V jednovidových optických vláknach sú príčinou rozmazávania vidu.