Egenskaper hos optiska fibrer

Efteroptiska signaler färdasett visst avstånd genom optisk fiber genomgår de dämpning och förvrängning, vilket gör att de optiska ingångs- och utsignalpulserna skiljer sig åt. Detta visar sig som amplituddämpning och vågformsbreddning av de optiska pulserna. Orsaken till detta fenomen är närvaron av förlust och dispersion i den optiska fibern. Förlust och spridning är de viktigaste parametrarna som beskriver överföringsegenskaperna för optiska fibrer, vilket begränsar systemets överföringsavstånd och kapacitet. Detta avsnitt diskuterar i första hand mekanismerna och egenskaperna för förlust och dispersion av optiska fibrer.

★Egenskaper hos optiska fibrer (del 2)

Förlustegenskaper hos optisk fiber

Optisk fiberförlust leder till signaldämpning, därför kallas optisk fiberförlust också dämpning. När avståndet ökar i optisk fiber, minskar ljussignalens intensitet enligt följande: P(z)=P(0) /10 - (4) där P(z) är den optiska effekten vid överföringsavstånd z; P(0) är den optiska effekten som matas in i den optiska fibern, dvs den optiska effekten som injiceras vid z=0; (λ) är den optiska fiberns dämpningskoefficient vid våglängd i dB/km; och L är överföringsavståndet.

När t=L definieras fiberdämpningskoefficienten som

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

När arbetsvåglängden λ är dB, om dämpningskoefficienten mäts i enheter av dB per kilometer, så uttrycks A(λ) (enheten är dB) som:

A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]

Optisk fiberkommunikation har utvecklats tillsammans med kontinuerliga förbättringar inom tillverkningen av optiska fibrer, särskilt minskningen av fiberförluster. Fiberförlust är en av huvudfaktorerna som bestämmer reläavståndet i ett optiskt fiberkommunikationssystem. Många faktorer bidrar till fiberförlust, främst absorptionsförlust, spridningsförlust och ytterligare förlust, och mekanismerna bakom dessa förluster är ganska komplexa. Följande diskussion använder optisk kiselfiber som ett exempel för att illustrera de olika orsakerna till förlust.

Absorptionsförlust

Absorptionsförlust inkluderar huvudsakligen inre absorption, absorption av föroreningar (OH-radikaler) och absorption av strukturella defekter. Inre absorption inkluderar infraröd och ultraviolett absorption.

Infraröd absorption är absorptionen av ljusenergi som orsakas av molekylär resonans när ljus passerar genom kvartsglas som består av SiO2. Till exempel är absorptionstopparna för Si-O vid 9,1 μm, 12,5 μm och 21,3 μm, och absorptionsförlusten för optisk fiber är så hög som 10 dB/km vid 9,1 μm. Ultraviolett absorption är den energi som absorberas när elektroner exciteras för att övergå till högre energinivåer av ljusvågor. Denna absorption sker i det ultravioletta området och kallas därför vanligtvis för ultraviolett absorption. Glasmaterial innehåller övergångsmetalljoner som järn och koppar samt OH--joner. Absorption av föroreningar är den förlust som orsakas av absorptionen av ljusenergi genom elektronsteg som genereras av jonvibrationer under ljusvågsexcitation. Till exempel, vid 1,39 μm, är dämpningen 60 dB/km när OH--jonkoncentrationen är 1 × 10⁻⁶.

Spridningsförlust

Spridningsförlust är den förlust som strålar ljusenergi ut ur den optiska fibern i form av spridning. Det orsakas av den o-jämna densiteten i fibern. De huvudsakliga typerna av spridningsförluster i optiska fibrer inkluderar Rayleigh-spridning, Mie-spridning, stimulerad Brillouin-spridning, stimulerad Raman-spridning, ytterligare strukturella defekter och böjningsspridning och läckagespridning.

Under tillverkning av optiska fibrer orsakar den termiska rörelsen av molekyler i det smälta glaset fluktuationer i densitet och brytningsindex inom dess struktur, vilket i sin tur orsakar ljusspridning. Spridning orsakad av partiklar som är mycket mindre än ljusets våglängd kallas Rayleigh-spridning; spridning orsakad av partiklar med samma våglängd som ljus kallas Mie-spridning.

Rayleigh-spridning är den primära orsaken till fiberförlust. Rayleigh-spridning uppvisar egenskapen att vara proportionell mot 1/λ av den korta våglängden, dvs R=K/λ. Proportionalitetskonstanten K är relaterad till glasets struktur och sammansättning. Generellt gäller att ju högre glasövergångstemperaturen är och ju mer komplex dess sammansättning är, desto större blir Rayleigh-spridningsförlusten.

Rayleigh-spridningen påverkas av intensiteten av det infallande ljuset. Stimulerad Brillouin-spridning och stimulerad Raman-spridning uppstår å andra sidan när ljusets energitäthet överstiger ett visst högt värde och produceras av interaktionen mellan ljus och medium.

Ytterligare förluster

Ytterligare förluster (eller applikationsförluster) är förluster som härrör från externa källor, såsom de som orsakas av fibervridning eller sidotryck under konstruktion, installation och drift, vilket resulterar i makro-böjning och mikro-böjning av fibern.

Orsakerna till fiberförluster sammanfattas i figur:

Dispersionsegenskaper hos optiska fibrer

Inom fysiken hänvisar dispersion till fenomenet där ljus av olika färger sprids efter att ha passerat genom ett transparent medium. En stråle av vitt ljus delas upp i ett sju-färgsband efter att ha passerat genom ett prisma. Detta beror på att glas har olika brytningsindex för olika färger (olika frekvenser eller olika våglängder). Ju längre våglängd (eller ju lägre frekvens), desto lägre brytningsindex för glaset; ju kortare våglängd (eller ju högre frekvens), desto högre brytningsindex. Med andra ord är glasets brytningsindex en funktion av ljusvågens frekvens (eller våglängd). När vitt ljus som består av olika färger infaller i samma vinkel θ, enligt brytningslagen (n=sinθ/n²), kommer olika ljusfärger att ha olika brytningsvinklar på grund av de olika n²-värdena, vilket gör att ljusets olika färger separeras, vilket resulterar i spridning. Eftersom n=c/n (där c är ljusets hastighet, c=3 × 10⁻⁶ m/s), är det tydligt att olika färger av ljus färdas med olika hastigheter i glaset.

I teorin om utbredning av optiska fibrer har innebörden av termen "spridning" breddats. I optiska fibrer bärs och sänds signaler av ljusvågor av många olika lägen eller frekvenser. När signalen når terminalen upplever de olika lägena eller frekvenserna för ljusvågor överföringsfördröjningsskillnader, vilket orsakar signalförvrängning. Detta fenomen kallas gemensamt för dispersion. För digitala signaler orsakar dispersion pulsbreddning efter att ha fortplantat sig ett visst avstånd genom fibern. I svåra fall kommer på varandra följande pulser att överlappa varandra och bilda intersymbolinterferens. Därför bestämmer dispersion överföringsbandbredden för den optiska fibern och begränsar systemets överföringshastighet eller repeateravstånd. Dispersion och bandbredd är samma egenskap hos optiska fibrer som beskrivs ur olika perspektiv.

Baserat på orsakerna till dispersion är dispersion av optisk fiber huvudsakligen uppdelad i: modal dispersion, materialdispersion, vågledardispersion och polarisationsmodsdispersion, som kommer att introduceras nedan.

Lägesspridning

Modal dispersion förekommer i allmänhet i multimodfibrer. Eftersom flera moder samexisterar i en multimodfiber, och grupputbredningshastigheterna för olika moder längs fiberaxeln är olika, kommer de oundvikligen att anlända till terminalen vid olika tidpunkter, vilket resulterar i en tidsfördröjningsskillnad och bildar intermodal dispersion, vilket orsakar breddbreddning av pulsen. Pulsbreddningen på grund av modal dispersion visas i figur 2-10. För en idealisk enkel-modsfiber, eftersom endast en mod (fundamental mode - LP eller HE mode) sänds, finns det ingen modal dispersion, men polarisationsmodsdispersion existerar.

Nu uppskattar vi den maximala modala spridningen av en steg-index multimodfiber. Den modala spridningen av en steg-index multimodfiber visas i figur 2-11. I ett steg-index multimodfiber är de två snabbaste och långsammaste utbredningsstrålarna strålen ① som fortplantar sig längs axeln och strålen ② som infaller i en kritisk vinkel på 0 grader. Därför är den maximala modspridningen i en stegindex multimodfiber tidsskillnaden mellan den tid det tar för strålen ② (Tmax) och den tid det tar för strålen ① (Tmin) att nå terminalen, ΔT_mux: ΔT_mux = T_max / T_min

Enligt geometrisk optik, i en optisk fiber med längden L, låt ljusstrålarnas ① och ② hastigheter längs den axiella riktningen vara c/n respektive sinθ·c/n. Därför är den modala spridningen av den optiska fibern...

I svagt styrda optiska fibrer (fibrer där n_ioch n_iskiljer sig väldigt lite), A=(n_i- n)/n. Om Δ=1 %, n_i= 1.5 för optiska kiselfibrer och fiberlängden är 1 km, då den maximala intermodala spridningen ΔT_mkan beräknas som 50 ns. Därför är det uppenbart att ju längre fiberlängden är, desto svårare blir den intermodala dispersionen; och ju större den relativa brytningsindexskillnaden A är, desto allvarligare är den intermodala dispersionen.

Materialspridning

Eftersom brytningsindexet för optiska fibermaterial varierar med ljusets våglängd, skiljer sig grupphastigheten för olika frekvenser av den optiska signalen, vilket orsakar en överföringsfördröjningsskillnad, ett fenomen som kallas materialspridning. Denna spridning beror på våglängdsegenskaperna för det optiska fibermaterialets brytningsindex och ljuskällans linjebredd.

I digitala fiberoptiska kommunikationssystem är det utgående ljuset från den faktiska ljuskällan inte en enda våglängd utan har en viss spektral linjebredd. Eftersom fibermaterialets brytningsindex är en funktion av våglängden, varierar även ljusets utbredningshastighet inom det (λ)=c/n(λ) med våglängden. När en ljuspuls som emitteras av en ljuskälla med en viss spektral linjebredd faller in på en enkel-modfiber och fortplantar sig, kommer ljuspulser med olika våglängder att ha olika utbredningshastigheter, vilket resulterar i en tidsfördröjningsskillnad när de når utgångsänden, vilket orsakar pulsbreddning. Detta är mekanismen för materialspridning.

Om grupphastigheten är känd för att vara u=da/dB, är gruppfördröjningen per längdenhet T=1/v,=n,/c. Därför är materialspridningen av en optisk fiber med längden L...

I formeln är c ​​ljusets hastighet i vakuum; X är brytningsindex för fiberkärnan; λ är ljusets våglängd; och Aλ är ljuskällans spektrala linjebredd, där Aλ=λ - λ, representerar våglängdsområdet centrerat vid A. I allmänhet används dispersionskoefficienten för att mäta storleken på dispersionen. Dispersionskoefficienten D (enhet: ps/(nm·km)) definieras som...

Det kan ses att spridningskoefficienten är spridningen som orsakas av en ljuskälla med en enhetsspektral linjebredd som utbreder sig i en enhetslängd av optisk fiber. Om materialspridningskoefficienten för den optiska fibern är känd, kan materialspridningen lätt beräknas som ΔTm=DmAAL.

Exempel 2-1: Antag att den maximala materialspridningskoefficienten för en optisk fiber vid en våglängd av 1,31m är D=3.5ps/(nm·km). Om en halvledarlaser med en centrumvåglängd på 1,31 µm används för att generera transmissionsljus med en spektral linjebredd på λ=4 nm, beräkna materialspridningen som orsakas av detta ljus som fortplantar sig i en 1 km lång optisk fiber.

Lösning: Materialspridningen av den optiska fibern kan enkelt beräknas som:

T_m = D_mLΔA=3.5ps/(nm·km) x 1km x 4nm=0.014ns=14ps

Som framgår av exempel 2-1 är materialspridningen relativt liten, till och med mindre än den modala spridningen av en stegindex multimodfiber. Det bör också noteras att dispersionskoefficienten för en optisk fiber (inte bara materialspridningskoefficienten) kan vara positiv eller negativ. I optisk fiber ökar gruppfördröjningen (A) med bärvågsvåglängden; med andra ord, ljusvågor med kortare våglängd fortplantar sig snabbare. I detta fall är spridningskoefficienten negativ, kallad negativ dispersion; omvänt utbreder sig ljusvågor med längre våglängd långsammare än ljusvågor med kortare våglängder.

Här är dispersionskoefficienten positiv, kallad positiv dispersion. Tydligen, om två optiska fibrer med motsatta dispersionskoefficienttecken smälts samman, kommer materialspridningen att förbättras.

vågledarspridning

Vågledarspridning ΔTw hänvisar till ett specifikt styrt läge i en optisk fiber. Olika våglängder har olika faskonstanter, vilket resulterar i olika grupphastigheter och därmed dispersion. Vågledarspridning är också relaterad till olika faktorer såsom strukturparametrarna för den optiska fibern och den relativa brytningsindexskillnaden mellan kärnan och kapslingen; därför kallas det också strukturell dispersion.

Dispersion av polarisationsläge

Polarisationslägesdispersion är en typ av dispersion som är unik för enkel-optiska fibrer. Eftersom enkelmodsfibrer faktiskt sänder två ömsesidigt ortogonala polarisationslägen, är deras elektriska fält polariserade längs x- respektive y-riktningarna.

Fiberoptisk bandbredd

Dispersionen och bandbredden hos optiska fibrer beskriver samma egenskap. I själva verket beskriver dispersion i vilken utsträckning en ljuspuls vidgas längs tidsaxeln efter sändning; det är en beskrivning av fiberns egenskaper i tidsdomänen. Bandbredd, å andra sidan, beskriver denna egenskap i frekvensdomänen. I frekvensdomänen, för en modulerande signal, kan den optiska fibern betraktas som ett låg-passfilter. När de högfrekventa komponenterna i den modulerande signalen passerar genom den är de kraftigt dämpade. Det vill säga, om amplituden för ingångssignalen (modulerande signal) förblir konstant, men endast frekvensen ändras, kommer amplituden för utsignalen efter överföring genom fibern att ändras med frekvensen för den modulerande signalen (ingångssignalen). TTU-T rekommenderar att du anger att bandbredden för en optisk fiber är [bandbredd per kilometer].