TopTechnický slovníkTlumení optického vlákna

Tlumení optického vlákna

Tlumení říkáme jevům všeho druhu, které vedou k tomu, že se snižuje síla šířeného signálu, a zároveň nemají vliv na jeho tvar.

 

Pro matematický popis ztrát síly ve světlovodu způsobených tlumením se používá parametr nazývaný jednotkový útlum a, měřený na úseku 1 km. Vyjadřuje se v dB/km a definuje se vzorcem:

 

P(l1) a P(l2) – optický výkon měřený ve světlovodu v bodech l1 a l2 vzdálených od sebe L

 

Tlumení zásadně roste spolu s nárůstem délky vlákna a omezuje tak dosah přenosu. Nárůst tlumení o 3 dB odpovídá poklesu výkony šířeného signálu o 50 %.

 

Na ztrátách způsobených tlumením se podílejí jevy, které mají materiálové pozadí, jevy spojené s fyzickými vlastnostmi samotného materiálu jádra a ztráty vlnovodu, plynoucí z konstrukce světlovodu (obr. 1). Mezi materiálové ztráty řadíme absorpce a rozptyl všeho druhu. Vlnovodné ztráty jsou pak ztráty energie způsobené např. mikro- a makro ohyby, nerovnoměrností rozložení indexu lomu světla na hranici jádro-plášť nebo kolísáním průměru, případně tvaru, této hranice.

 

Obr. 1. Závislost jednotkového útlumu [a] na délce vlny λ v jednovidovém křemenném optickém vláknu

 

I II III - okna

A - Rayleighův rozptyl

B - absorpce v hydroxylových iontech

C - ultrafialová absorpce

D - infračervená absorpce

E - vlnovodné ztráty

Absorpce je jev spočívající v předání energie elektromagnetické vlny do hmotného prostředí, jímž se vlna šíří (obr. 2). Tato energie je později ztracena v podobě vibrací částic (především tepelných vibrací) nebo prostřednictvím emisí. Energie může být vstřebána částicí jen v přesně určených dávkách (kvantech), které jsou determinovány frekvencí elektromagnetické vlnyν. Absorpce fotonu vede k předání energie potřebné k vybuzení částice na vyšší energetickou úroveň a zároveň se tak zmenšuje světelný tok.

 

Obr. 2. Absorpce

 

- kvantum energie fotonu

E0 - základní energetická úroveň

E1 - vybuzená energetická úroveň

V telekomunikačních a multimediálních světlovodech hraje největší roli absorpce znečištěním, především ionty -OH. Menší význam má infračervená absorpce a absorpce v oblasti UV.

 

Pro vlny s délkami 0,95 μm a 1,38 μm má rozhodující vliv na optické ztráty přítomnost iontů -OH, pro něž se vyskytuje příslušně třetí a druhá harmonická vibrací. Při délce vlny 1,23 μm se vibrace iontů překrývají -OH s vazbami Si-O, Cu2+, Fe2+, Cr3+ a H2 (obr. 1 – B). Přítomnost iontů -OH je pozůstatkem po znečištění vodní parou během výrobního procesu. Přidáním vhodných přídavných látek se působí nejen na změnu indexu lomu n, ale i na nárůst absorpce (obr. 3).

 

Obr. 3. Závislost jednotkového útlumu [a] na změně indexe lomu Δn v křemenném jednovidovém optickém vláknu při délce vlny 1 μm

 

Ultrafialová absorpce dosahuje maxima při délce vlny 0,2 μm. To se pojí s depopulací fotonů valenčních elektronů do pásma vodivosti. Pro vlny delší než 0,8 μm je absorpce v UV zanedbatelná (obr. 1 – C).

 

Z vlastností samotného křemenného skla také vyplývá, že společně s nárůstem délky vlny nad 1,6 μm narůstá také infračervená absorpce (obr. 1-D). Při dílce vlny 9 μm krystalické struktury Si02 upadají do rezonance, ve výsledku vzniká maximální útlum a světlovod přestává být transparentní.

 

Rozptyl je změna směru šíření záření způsobená nehomogenitou materiálu na elementární úrovni.
Dominantní roli v telekomunikačních a multimediálních optických vláknech sehrává Rayleighův rozptyl, vyskytují se také jevy Mieova rozptylu a nelineární Brillouinův rozptyl a Ramanův jev.

 

Příčinou výskytu Rayleighova rozptylu (RR) jsou heterogenity materiálu jádra (způsobení nedokonalostmi struktury skla) s výrazně menšími rozměry než 0,03 λ. RR je nepřímo úměrný čtvrté mocnině vlnové délky světla (obr. 1-A) a určuje hranici užitečnosti křemenných optických vláken pro vlny kratší než 0,7 μm. Útlum závislý na RR (aR) popisuje vzorec:

 

k – materiálová konstanta pohybující se v rozpětí 0,7 až 0,8 (v závislosti na množství přísad)

 

RR probíhá následovně: elektrická složka dopadající elektromagnetické vlny indukuje elektrický dipólový moment na oscilační frekvenci této vlny. Dipól vstřebává kvantum světla, pak ho okamžitě emituje s frekvencí rovnou frekvenci vibrací dipólu a tím i dopadající vlně (obr. 4). Směr rozptýlené vlny je náhodný, ale s nižší pravděpodobností jsou emitovány vlny rovnoběžné s osou dipólu.

 

Obr. 4. Rayleighův rozptyl

 

A - dopadající vlna

B - disipativní dielektrikum částic (menší než délka světelné vlny)

C - procházející vlna (pro zachování přehlednosti obrázku nebyly zohledněny změny směru šíření světelné vlny)

D - rozptýlené vlny

λ[const] - délka vlny

Mieův rozptyl (MR) nastává, když je světelná vlna rozptýlená na částicích nebo na shlucích molekul s velikostí srovnatelnou nebo větší než je délka této vlny. Tento proces přímo souvisí s délkou rozptylované vlny, ale s kvocientem rozměru částice a délky vlny. Popisuje se parametrem α.

 

r – poloměr částice

 

Když je velikost částice srovnatelná s délkou vlny, je rozptyl (přibližně) ve všech směrech rovnoměrný. Spolu s nárůstem hodnoty kvocientu r/λ narůstá asymetrie v pozorovaném rozptylu (obr. 5). V případě, kdy je r>>λ, se dominantním stává rozptyl ve směru shodném s rozptylovanou vlnou (rozptyl dopředu) a změna délky dopadající vlny je prakticky zanedbatelná.

 

Obr. 5. Mieův rozptyl na nedokonalostech materiálu jádra světlovodu: A) – srovnatelných/větších než je délka světelné vlny, B) – výrazně větších než je délka světelné vlny

 

Díky zdokonalení technického procesu výroby optických vláken se povedlo (do značné míry) odstranit bublinky plynů, shluky přidávaných prvků nebo krystalků, díky čemuž byly ztráty způsobené MR omezeny na hodnotu v řádu 0,03 dB/km.

 

Brillouinův rozptyl (SBS) a Ramanův jev (SRS) jsou nelineární jevy. K působení mezi elektromagnetickou vlnou a materiálem prostředí dochází po překročení hraniční hodnoty optického výkonu.

 

SBS objeví se, když jsou ve světlovodech vedeny vidy s optickým výkonem v řádu několika mW. Pak vzniká zpětná vlna, navíc dochází k předání energie fotonů materiálem prostředí akustickým fononům. Kromě toho dochází k posunu frekvence vedeného vidu o:

 

n – index lomu
ν – rychlost zvukové vlny v prostředí

 

SRS objeví se po překročení optického výkonu v řádu 1 W a spočívá v působení vedených vidů s molekulárními vibracemi materiálu prostředí. Světlo, podléhající rozptýlení, předává kvantum energie fotonu rozptylující částici a mění svou frekvenci. Důsledkem je pokles optického výkonu vidů s vyšší frekvencí (sondujících vidů) a zvýšení síly (pumpování) vlny s frekvencí nižší než je Stokesova frekvence. U křemenných optických vláken budou každé dvě vlny s rozdílem ve frekvenci v řádu 15 THz vzájemně spojeny SRS.

 

Dalším zdrojem ztrát je ohyb vlákna, a to jak v makro, tak i v mikroskopickém měřítku.

 

Vlna, která se šíří podél optického vlákna a narazí na zlom, dopadá na hranici mezi pláště a jádrem pod jiným úhlem než na rovném úseku světlovodu. Když je úhel dopadu menší než hraniční úhel, nevyskytuje se jev úplného vnitřního odrazu. Vedené vidy podléhají částečné konverzi ve vyzařované vidy, což má z následek zalomení mimo jádro světlovodu a také mimo plášť (obr. 4). Část energie je tedy ztracena.

 

Obr. 4. Ztráty (prosakující vidy) vzniklé na ohybech světlovodu - makroohyby

 

Θ - úhel dopadu čela světelné vlny na hranici jádro-plášť v ohybu optického vlákna

Θg - hraniční úhel pro celkový vnitřní odraz

Ztrátám vznikajícím na ohybech se nedá zabránit, lze je minimalizovat pomocí redukce počtu ohybů a na místech, kde jsou nezbytné, pomocí používání ohybů s co největším poloměrem zakřivení. Každý výrobce optického vlákna uvádí minimální poloměr ohybu, který je nutné zohlednit při pokládání kabelu. Je to parametr, který se nedá změnit, aby se výrazně nezhoršily parametry vodiče.

 

Mikroohyby vznikají během etapy výroby vláken. Pod tímto pojmem se skrývají veškeré druhy nepravidelností ve tvaru hranice mezi jádrem a pláštěm jak náhodného charakteru (mikropraskliny, shluky příměsí, bublinky plynu), tak i cyklického (např. Změny průměru nebo geometrie jádra a mikropraskliny vzniklé pravidelným zvyšováním napnutí během navíjení vláken na buben).

 

Obr. 5. Ztráty (prosakující vidy) způsobené výskytem nedokonalostí ve stavbě optického mikrovlákna - mikroohybů

 

A - nepravidelnosti hranice mezi pláštěm a jádrem

B - znečištění ionty

Mikroohyby na vícevidových optických vláknech vyvolávají spojování vidů a konverzi energie vidů vedených k vyzařovaným vidům. V jednovidových optických vláknech jsou příčinou rozmazávání vidu.