Ciri gentian optik

Selepasisyarat optik bergerakjarak tertentu melalui gentian optik, mereka mengalami pengecilan dan herotan, menyebabkan denyutan isyarat optik input dan output berbeza. Ini menjelma sebagai pengecilan amplitud dan pembesaran bentuk gelombang denyutan optik. Punca fenomena ini adalah kehadiran kehilangan dan penyebaran dalam gentian optik. Kehilangan dan penyebaran adalah parameter terpenting yang menerangkan ciri penghantaran gentian optik, mengehadkan jarak penghantaran dan kapasiti sistem. Bahagian ini terutamanya membincangkan mekanisme dan ciri kehilangan dan penyebaran gentian optik.

★Ciri gentian optik (bahagian 2)

Ciri-ciri kehilangan gentian optik

Kehilangan gentian optik membawa kepada pengecilan isyarat, oleh itu kehilangan gentian optik juga dipanggil pengecilan. Apabila jarak bertambah dalam gentian optik, keamatan isyarat cahaya berkurangan, seperti berikut: P(z)=P(0) /10 - (4) dengan P(z) ialah kuasa optik pada jarak penghantaran z; P(0) ialah input kuasa optik ke dalam gentian optik, iaitu, kuasa optik yang disuntik pada z=0; (λ) ialah pekali pengecilan gentian optik pada panjang gelombang dalam dB/km; dan L ialah jarak penghantaran.

Apabila t=L, pekali pengecilan gentian ditakrifkan sebagai

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

Apabila panjang gelombang kerja λ ialah dB, jika pekali pengecilan diukur dalam unit dB per kilometer, maka A(λ) (unit ialah dB) dinyatakan sebagai:

A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]

Komunikasi gentian optik telah dibangunkan bersama penambahbaikan berterusan dalam pembuatan gentian optik, khususnya pengurangan kehilangan gentian. Kehilangan gentian adalah salah satu faktor utama yang menentukan jarak geganti dalam sistem komunikasi gentian optik. Banyak faktor menyumbang kepada kehilangan serat, terutamanya kehilangan penyerapan, kehilangan serakan, dan kehilangan tambahan, dan mekanisme yang mendasari kehilangan ini agak kompleks. Perbincangan berikut menggunakan gentian optik silika sebagai contoh untuk menggambarkan pelbagai punca kehilangan.

Kehilangan Penyerapan

Kehilangan penyerapan terutamanya termasuk penyerapan intrinsik, penyerapan kekotoran (radikal OH), dan penyerapan kecacatan struktur. Penyerapan intrinsik termasuk penyerapan inframerah dan ultraviolet.

Penyerapan inframerah ialah penyerapan tenaga cahaya yang disebabkan oleh resonans molekul apabila cahaya melalui kaca kuarza yang terdiri daripada SiO2. Contohnya, puncak penyerapan Si-O adalah pada 9.1 μm, 12.5 μm dan 21.3 μm, dan kehilangan penyerapan gentian optik adalah setinggi 10 dB/km pada 9.1 μm. Penyerapan ultraungu ialah tenaga yang diserap apabila elektron teruja untuk beralih ke tahap tenaga yang lebih tinggi oleh gelombang cahaya. Penyerapan ini berlaku di kawasan ultraviolet dan oleh itu biasanya dipanggil penyerapan ultraviolet. Bahan kaca mengandungi ion logam peralihan seperti besi dan kuprum, serta ion OH-. Penyerapan kekotoran ialah kehilangan yang disebabkan oleh penyerapan tenaga cahaya oleh langkah elektron yang dihasilkan oleh getaran ion di bawah pengujaan gelombang cahaya. Contohnya, pada 1.39 μm, pengecilan ialah 60 dB/km apabila kepekatan ion OH- ialah 1 × 10⁻⁶.

Kehilangan taburan

Kehilangan taburan ialah kehilangan yang memancarkan tenaga cahaya daripada gentian optik dalam bentuk serakan. Ia disebabkan oleh-ketumpatan tidak seragam dalam gentian. Jenis utama kehilangan hamburan dalam gentian optik termasuk hamburan Rayleigh, hamburan Mie, hamburan Brillouin yang dirangsang, hamburan Raman yang dirangsang, kecacatan struktur tambahan dan penyebaran lenturan, dan penyebaran kebocoran.

Semasa pembuatan gentian optik, gerakan terma molekul dalam kaca cair menyebabkan turun naik ketumpatan dan indeks biasan dalam strukturnya, yang seterusnya menyebabkan penyerakan cahaya. Penyerakan yang disebabkan oleh zarah yang jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya dipanggil penyerakan Rayleigh; serakan yang disebabkan oleh zarah yang sama panjang gelombang dengan cahaya dipanggil serakan Mie.

Penyebaran Rayleigh adalah punca utama kehilangan serat. Penyerakan Rayleigh mempamerkan sifat berkadar dengan 1/λ panjang gelombang pendek, iaitu, R=K/λ. Pemalar kekadaran K adalah berkaitan dengan struktur dan komposisi kaca. Secara amnya, semakin tinggi suhu peralihan kaca dan semakin kompleks komposisinya, semakin besar kehilangan taburan Rayleigh.

Penyerakan Rayleigh dipengaruhi oleh keamatan cahaya kejadian. Penyerakan Brillouin yang dirangsang dan penyebaran Raman yang dirangsang, sebaliknya, berlaku apabila ketumpatan tenaga cahaya melebihi nilai tinggi tertentu dan dihasilkan oleh interaksi antara cahaya dan medium.

Kerugian tambahan

Kerugian tambahan (atau kehilangan aplikasi) ialah kerugian yang berpunca daripada sumber luaran, seperti yang disebabkan oleh berpusing gentian atau tekanan sisi semasa pembinaan, pemasangan dan operasi, mengakibatkan lenturan makro-dan{1}}mikro gentian.

Punca kehilangan serat diringkaskan dalam Rajah:

Ciri-ciri penyebaran gentian optik

Dalam fizik, serakan merujuk kepada fenomena di mana cahaya warna yang berbeza tersebar selepas melalui medium lutsinar. Pancaran cahaya putih terbahagi kepada tujuh-jalur warna selepas melalui prisma. Ini kerana kaca mempunyai indeks biasan yang berbeza untuk warna yang berbeza (frekuensi yang berbeza atau panjang gelombang yang berbeza). Semakin panjang gelombang (atau semakin rendah frekuensi), semakin rendah indeks biasan kaca; semakin pendek panjang gelombang (atau semakin tinggi frekuensi), semakin tinggi indeks biasan. Dengan kata lain, indeks biasan kaca ialah fungsi frekuensi (atau panjang gelombang) gelombang cahaya. Apabila cahaya putih yang terdiri daripada warna yang berbeza adalah kejadian pada sudut θ yang sama, mengikut hukum pembiasan (n=sinθ/n²), warna cahaya yang berbeza akan mempunyai sudut biasan yang berbeza disebabkan oleh nilai n² yang berbeza, sekali gus memisahkan warna cahaya yang berbeza, mengakibatkan penyebaran. Memandangkan n=c/n (dengan c ialah kelajuan cahaya, c=3 × 10⁻⁶ m/s), adalah jelas bahawa warna cahaya yang berbeza bergerak pada kelajuan yang berbeza di dalam kaca.

Dalam teori perambatan gentian optik, maksud istilah "penyebaran" telah diperluaskan. Dalam gentian optik, isyarat dibawa dan dihantar oleh gelombang cahaya pelbagai mod atau frekuensi yang berbeza. Apabila isyarat sampai ke terminal, mod atau frekuensi gelombang cahaya yang berbeza mengalami perbezaan kelewatan penghantaran, menyebabkan herotan isyarat. Fenomena ini secara kolektif dipanggil penyebaran. Untuk isyarat digital, penyebaran menyebabkan nadi melebar selepas merambat jarak tertentu melalui gentian. Dalam kes yang teruk, denyutan berturut-turut akan bertindih, membentuk gangguan antara simbol. Oleh itu, penyebaran menentukan lebar jalur penghantaran gentian optik dan mengehadkan kadar penghantaran sistem atau jarak pengulang. Penyerakan dan lebar jalur adalah ciri gentian optik yang sama yang diterangkan dari perspektif yang berbeza.

Berdasarkan punca serakan, serakan gentian optik terutamanya dibahagikan kepada: serakan modal, serakan bahan, serakan pandu gelombang, dan serakan mod polarisasi, yang akan diperkenalkan di bawah.

Penyerakan Mod

Penyerakan modal umumnya wujud dalam gentian berbilang mod. Oleh kerana berbilang mod wujud bersama dalam gentian berbilang mod, dan kelajuan penyebaran kumpulan mod yang berbeza di sepanjang paksi gentian adalah berbeza, mereka pasti akan tiba di terminal pada masa yang berbeza, mengakibatkan perbezaan kelewatan masa dan membentuk penyebaran antara mod, dengan itu menyebabkan lebar nadi melebar. Pelebaran nadi disebabkan oleh penyebaran modal ditunjukkan dalam Rajah 2-10. Untuk gentian mod tunggal-yang ideal, kerana hanya satu mod (mod asas - mod LP atau HE) dihantar, tiada penyebaran mod, tetapi penyebaran mod polarisasi wujud.

Kini, kami menganggarkan serakan mod maksimum bagi gentian berbilang mod indeks langkah-. Penyerakan modal bagi gentian mod-indeks langkah ditunjukkan dalam Rajah 2-11. Dalam satu langkah-gentian berbilang mod indeks, dua sinar merambat terpantas dan paling perlahan ialah sinar ① merambat di sepanjang paksi dan sinar ② kejadian masing-masing pada sudut genting 0 darjah . Oleh itu, serakan mod maksimum dalam gentian multimod indeks langkah ialah perbezaan masa antara masa yang diambil oleh sinar ② (Tmaks) dan masa yang diambil oleh sinar ① (Tmin) untuk sampai ke terminal, ΔT_mux: ΔT_mux = T_maks / T_min

Menurut optik geometri, dalam gentian optik panjang L, biarkan kelajuan sinar cahaya ① dan ② sepanjang arah paksi masing-masing ialah c/n dan sinθ·c/n. Oleh itu, penyebaran mod gentian optik adalah...

Dalam gentian optik berpandu lemah (gentian di mana n_idan n_iberbeza sangat sedikit), A=(n_i- n)/n. Jika Δ=1%, n_i= 1.5 untuk gentian optik silika, dan panjang gentian ialah 1 km, maka serakan antara mod maksimum ΔT_mboleh dikira sebagai 50 ns. Oleh itu, adalah jelas bahawa semakin panjang panjang gentian, semakin teruk penyebaran antara mod; dan lebih besar perbezaan indeks biasan relatif Δ, lebih teruk penyebaran antara mod.

Penyerakan bahan

Oleh kerana indeks biasan bahan gentian optik berbeza dengan panjang gelombang cahaya, halaju kumpulan frekuensi berbeza isyarat optik berbeza, menyebabkan perbezaan kelewatan penghantaran, fenomena yang dikenali sebagai penyebaran bahan. Penyerakan ini bergantung pada ciri panjang gelombang indeks biasan bahan gentian optik dan lebar garis sumber cahaya.

Dalam sistem komunikasi gentian optik digital, cahaya keluaran daripada sumber cahaya sebenar bukanlah satu panjang gelombang tetapi mempunyai lebar garis spektrum tertentu. Memandangkan indeks biasan bahan gentian ialah fungsi panjang gelombang, kelajuan perambatan cahaya di dalamnya (λ)=c/n(λ) juga berbeza mengikut panjang gelombang. Apabila nadi cahaya yang dipancarkan oleh sumber cahaya dengan lebar garis spektrum tertentu adalah kejadian pada gentian mod- tunggal dan merambat, denyutan cahaya dengan panjang gelombang yang berbeza akan mempunyai kelajuan perambatan yang berbeza, mengakibatkan perbezaan kelewatan masa apabila ia mencapai penghujung output, sekali gus menyebabkan peningkatan denyutan. Ini adalah mekanisme penyebaran bahan.

Jika halaju kumpulan diketahui sebagai u=da/dB, maka kelewatan kumpulan bagi setiap unit panjang ialah T=1/v,=n,/c. Oleh itu, penyebaran bahan gentian optik dengan panjang L ialah...

Dalam formula, c ialah kelajuan cahaya dalam vakum; λ ialah indeks biasan bagi teras gentian; λ ialah panjang gelombang cahaya; dan Aλ ialah lebar garis spektrum sumber cahaya, di mana Aλ=λ - λ, mewakili julat panjang gelombang berpusat pada A. Secara amnya, pekali serakan digunakan untuk mengukur magnitud serakan. Pekali serakan D (unit: ps/(nm·km)) ditakrifkan sebagai...

Ia boleh dilihat bahawa pekali serakan ialah serakan yang disebabkan oleh sumber cahaya dengan lebar garis spektrum unit yang merambat dalam satu unit panjang gentian optik. Jika pekali serakan bahan gentian optik diketahui, serakan bahan boleh dikira dengan mudah sebagai ΔTm=DmAAL.

Contoh 2-1: Katakan bahawa pekali serakan bahan maksimum gentian optik pada panjang gelombang 1.31m ialah D=3.5ps/(nm·km). Jika laser semikonduktor dengan panjang gelombang tengah 1.31µm digunakan untuk menjana cahaya penghantaran dengan lebar garis spektrum λ=4nm, kirakan serakan bahan yang disebabkan oleh cahaya ini merambat dalam panjang gentian optik 1km.

Penyelesaian: Penyerakan bahan gentian optik boleh dikira dengan mudah sebagai:

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

Seperti yang dilihat dalam Contoh 2-1, serakan bahan adalah agak kecil, malah lebih kecil daripada serakan modal gentian multimod indeks langkah. Ia juga harus diperhatikan bahawa pekali serakan gentian optik (bukan hanya pekali serakan bahan) boleh menjadi positif atau negatif. Dalam gentian optik, kelewatan kumpulan (A) meningkat dengan panjang gelombang pembawa; dalam erti kata lain, gelombang cahaya panjang gelombang yang lebih pendek merambat lebih cepat. Dalam kes ini, pekali serakan adalah negatif, dipanggil serakan negatif; sebaliknya, gelombang cahaya panjang gelombang yang lebih panjang merambat lebih perlahan daripada gelombang cahaya panjang gelombang yang lebih pendek.

Di sini, pekali penyebaran adalah positif, dipanggil penyebaran positif. Jelas sekali, jika dua gentian optik dengan tanda pekali penyebaran bertentangan digabungkan bersama, penyebaran bahan akan bertambah baik.

penyebaran pandu gelombang

Penyerakan pandu gelombang ΔTw merujuk kepada mod berpandu khusus dalam gentian optik. Panjang gelombang yang berbeza mempunyai pemalar fasa yang berbeza, menghasilkan halaju kumpulan yang berbeza dan dengan itu penyebaran. Penyerakan pandu gelombang juga berkaitan dengan pelbagai faktor seperti parameter struktur gentian optik dan perbezaan indeks biasan relatif antara teras dan pelapisan; oleh itu, ia juga dipanggil penyebaran struktur.

Penyerakan mod polarisasi

Penyerakan mod polarisasi ialah sejenis penyerakan unik kepada gentian optik-tunggal mod. Oleh kerana gentian mod tunggal-sebenarnya menghantar dua mod polarisasi saling ortogon, medan elektriknya dikutubkan di sepanjang arah x dan y, masing-masing.

Jalur lebar gentian optik

Penyerakan dan lebar jalur gentian optik menggambarkan ciri yang sama. Malah, serakan menerangkan sejauh mana nadi cahaya meluas sepanjang paksi masa selepas penghantaran; ia adalah penerangan tentang ciri gentian dalam domain masa. Lebar jalur, sebaliknya, menerangkan ciri ini dalam domain frekuensi. Dalam domain frekuensi, untuk isyarat modulasi, gentian optik boleh dianggap sebagai penapis -rendah. Apabila komponen-kekerapan tinggi isyarat pemodulasi melaluinya, komponen tersebut akan dilemahkan dengan teruk. Iaitu, jika amplitud isyarat input (isyarat modulasi) kekal malar, tetapi hanya perubahan frekuensi, amplitud isyarat keluaran selepas penghantaran melalui gentian akan berubah dengan frekuensi isyarat modulasi (isyarat input). TTU-T mengesyorkan menyatakan bahawa lebar jalur gentian optik ialah [lebar jalur setiap kilometer].