Karatteristiċi tal-fibri ottiċi

Warasinjali ottiċi jivvjaġġawċerta distanza permezz tal-fibra ottika, jgħaddu minn attenwazzjoni u distorsjoni, u jikkawżaw li l-impulsi tas-sinjali ottiċi tad-dħul u tal-ħruġ ikunu differenti. Dan jimmanifesta bħala attenwazzjoni tal-amplitudni u twessigħ tal-forma tal-mewġ tal-impulsi ottiċi. Il-kawża ta 'dan il-fenomenu hija l-preżenza ta' telf u tixrid fi ħdan il-fibra ottika. It-telf u t-tixrid huma l-aktar parametri importanti li jiddeskrivu l-karatteristiċi tat-trażmissjoni tal-fibri ottiċi, li jillimitaw id-distanza tat-trażmissjoni u l-kapaċità tas-sistema. Din it-taqsima tiddiskuti primarjament il-mekkaniżmi u l-karatteristiċi tat-telf u t-tixrid tal-fibra ottika.

★Karatteristiċi tal-fibri ottiċi (parti 2)

Karatteristiċi ta 'telf ta' fibra ottika

It-telf tal-fibra ottika jwassal għal attenwazzjoni tas-sinjal, għalhekk it-telf tal-fibra ottika jissejjaħ ukoll attenwazzjoni. Hekk kif id-distanza tiżdied fil-fibra ottika, l-intensità tas-sinjal tad-dawl tonqos, kif ġej: P(z)=P(0) /10 - (4) fejn P (z) hija l-qawwa ottika fid-distanza ta 'trasmissjoni z; P(0) hija l-input tal-qawwa ottika fil-fibra ottika, jiġifieri, il-qawwa ottika injettata f'z=0; (λ) huwa l-koeffiċjent ta' attenwazzjoni tal-fibra ottika f'wavelength f'dB/km; u L hija d-distanza tat-trasmissjoni.

Meta t=L, il-koeffiċjent tal-attenwazzjoni tal-fibra huwa definit bħala

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

Meta l-wavelength tax-xogħol λ huwa dB, jekk il-koeffiċjent ta' attenwazzjoni jitkejjel f'unitajiet ta' dB għal kull kilometru, allura A(λ) (l-unità hija dB) hija espressa bħala:

A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]

Il-komunikazzjoni tal-fibra ottika żviluppat flimkien ma 'titjib kontinwu fil-manifattura tal-fibra ottika, speċifikament it-tnaqqis tat-telf tal-fibra. It-telf tal-fibra huwa wieħed mill-fatturi ewlenin li jiddeterminaw id-distanza tar-relay f'sistema ta 'komunikazzjoni tal-fibra ottika. Ħafna fatturi jikkontribwixxu għal telf ta 'fibra, primarjament telf ta' assorbiment, telf ta 'tifrix, u telf addizzjonali, u l-mekkaniżmi sottostanti dan it-telf huma pjuttost kumplessi. Id-diskussjoni li ġejja tuża fibra ottika tas-silika bħala eżempju biex turi l-kawżi varji tat-telf.

Telf ta' assorbiment

It-telf ta 'assorbiment jinkludi prinċipalment assorbiment intrinsiku, assorbiment ta' impurità (radikali OH), u assorbiment ta 'difetti strutturali. L-assorbiment intrinsiku jinkludi assorbiment infra-aħmar u ultravjola.

L-assorbiment infra-aħmar huwa l-assorbiment tal-enerġija tad-dawl ikkawżat minn reżonanza molekulari meta d-dawl jgħaddi minn ħġieġ tal-kwarz magħmul minn SiO2. Pereżempju, il-qċaċet ta 'assorbiment ta' Si-O huma f'9.1 μm, 12.5 μm, u 21.3 μm, u t-telf ta 'assorbiment ta' fibra ottika huwa għoli daqs 10 dB/km f'9.1 μm. L-assorbiment ultravjola huwa l-enerġija assorbita meta l-elettroni huma eċċitati għal tranżizzjoni għal livelli ogħla ta 'enerġija minn mewġ tad-dawl. Dan l-assorbiment iseħħ fir-reġjun ultravjola u għalhekk normalment jissejjaħ assorbiment ultravjola. Materjali tal-ħġieġ fihom jonji tal-metall ta' transizzjoni bħall-ħadid u r-ram, kif ukoll jonji OH-. L-assorbiment tal-impurità huwa t-telf ikkawżat mill-assorbiment tal-enerġija tad-dawl minn passi tal-elettroni ġġenerati minn vibrazzjonijiet tal-jone taħt eċċitazzjoni tal-mewġ tad-dawl. Pereżempju, f'1.39 μm, l-attenwazzjoni hija 60 dB/km meta l-konċentrazzjoni tal-jone OH- hija 1 × 10⁻⁶.

Telf tat-tifrix

It-telf tat-tifrix huwa t-telf li jirradja l-enerġija tad-dawl mill-fibra ottika fil-forma ta 'tifrix. Hija kkawżata mid-densità mhux-uniformi fil-fibra. It-tipi ewlenin ta 'telf ta' tifrix f'fibri ottiċi jinkludu t-tifrix ta 'Rayleigh, it-tifrix ta' Mie, it-tifrix Brillouin stimulat, it-tifrix Raman stimulat, difetti strutturali addizzjonali u t-tifrix tal-liwi, u t-tifrix ta 'tnixxija.

Waqt il-manifattura tal-fibra ottika, il-moviment termali tal-molekuli fil-ħġieġ imdewweb jikkawża varjazzjonijiet fid-densità u l-indiċi refrattiv fi ħdan l-istruttura tiegħu, li mbagħad jikkawża t-tifrix tad-dawl. It-tifrix ikkawżat minn partiċelli ħafna iżgħar mill-wavelength tad-dawl jissejjaħ it-tifrix ta 'Rayleigh; it-tifrix ikkawżat minn partiċelli tal-istess wavelength bħad-dawl jissejjaħ it-tifrix Mie.

It-tifrix ta 'Rayleigh huwa l-kawża ewlenija tat-telf tal-fibra. It-tifrix ta' Rayleigh juri proprjetà li jkun proporzjonali għal 1/λ tal-wavelength qasir, jiġifieri, R=K/λ. Il-kostanti tal-proporzjonalità K hija relatata mal-istruttura u l-kompożizzjoni tal-ħġieġ. Ġeneralment, iktar ma tkun għolja t-temperatura tat-transizzjoni tal-ħġieġ u iktar tkun kumplessa l-kompożizzjoni tagħha, iktar ikun kbir it-telf tat-tifrix ta 'Rayleigh.

It-tifrix ta' Rayleigh huwa influwenzat mill-intensità tad-dawl inċidentali. It-tifrix stimulat Brillouin u t-tifrix Raman stimulat, min-naħa l-oħra, iseħħu meta d-densità tal-enerġija tad-dawl taqbeż ċertu valur għoli u huma prodotti mill-interazzjoni bejn id-dawl u l-medju.

Telf addizzjonali

Telf addizzjonali (jew telf ta' applikazzjoni) huwa telf li joriġina minn sorsi esterni, bħal dawk ikkawżati minn brim tal-fibra jew pressjoni laterali waqt il-kostruzzjoni, installazzjoni, u tħaddim, li jirriżultaw f'makro-liwi u mikro-liwi tal-fibra.

Il-kawżi tat-telf tal-fibra huma miġbura fil-qosor fil-Figura:

Karatteristiċi ta 'dispersjoni ta' fibri ottiċi

Fil-fiżika, it-tixrid jirreferi għall-fenomenu fejn id-dawl ta 'kuluri differenti huwa mxerred wara li jgħaddi minn mezz trasparenti. Raġġ ta' dawl abjad jinqasam f'faxxa ta' seba-kuluri wara li jgħaddi minn priżma. Dan għaliex il-ħġieġ għandu indiċi ta 'rifrazzjoni differenti għal kuluri differenti (frekwenzi differenti jew wavelengths differenti). Iktar ma jkun itwal il-wavelength (jew inqas il-frekwenza), iktar ikun baxx l-indiċi refrattiv tal-ħġieġ; l-iqsar il-wavelength (jew l-ogħla frekwenza), l-ogħla l-indiċi refrattiv. Fi kliem ieħor, l-indiċi refrattiv tal-ħġieġ huwa funzjoni tal-frekwenza (jew wavelength) tal-mewġ tad-dawl. Meta dawl abjad magħmul minn kuluri differenti huwa inċident fl-istess angolu θ, skond il-liġi ta 'rifrazzjoni (n=sinθ/n²), kuluri differenti ta' dawl se jkollhom angoli differenti ta 'rifrazzjoni minħabba l-valuri differenti ta' n², u b'hekk tissepara l-kuluri differenti tad-dawl, li jirriżulta f'dispersjoni. Peress li n=c/n (fejn c hija l-veloċità tad-dawl, c=3 × 10⁻⁶ m/s), huwa ċar li kuluri differenti ta 'dawl jivvjaġġaw b'veloċitajiet differenti fil-ħġieġ.

Fit-teorija tal-propagazzjoni tal-fibra ottika, it-tifsira tat-terminu "dispersjoni" ġiet mwessa '. Fil-fibri ottiċi, is-sinjali jinġarru u jiġu trażmessi minn mewġ tad-dawl ta 'ħafna modi jew frekwenzi differenti. Meta s-sinjal jilħaq it-terminal, il-modi jew il-frekwenzi differenti tal-mewġ tad-dawl jesperjenzaw differenzi ta 'dewmien tat-trasmissjoni, li jikkawżaw distorsjoni tas-sinjal. Dan il-fenomenu huwa kollettivament imsejjaħ dispersjoni. Għal sinjali diġitali, it-tixrid jikkawża twessigħ tal-polz wara li jippropaga ċertu distanza permezz tal-fibra. F'każijiet severi, impulsi konsekuttivi se jikkoinċidu, u jiffurmaw interferenza intersimbolu. Għalhekk, id-dispersjoni tiddetermina l-bandwidth tat-trasmissjoni tal-fibra ottika u tillimita r-rata ta 'trażmissjoni tas-sistema jew id-distanza tar-ripetitur. Id-dispersjoni u l-bandwidth huma l-istess karatteristika tal-fibri ottiċi deskritti minn perspettivi differenti.

Ibbażat fuq il-kawżi tat-tixrid, id-dispersjoni tal-fibra ottika hija prinċipalment maqsuma fi: dispersjoni modali, dispersjoni materjali, dispersjoni tal-gwida tal-mewġ, u dispersjoni tal-mod ta 'polarizzazzjoni, li se jiġu introdotti hawn taħt.

Dispersjoni tal-Modalità

Id-dispersjoni modali ġeneralment teżisti f'fibri multimode. Minħabba li modi multipli jikkoeżistu f'fibra multimode, u l-veloċitajiet ta 'propagazzjoni tal-grupp ta' modi differenti tul l-assi tal-fibra huma differenti, inevitabbilment jaslu fit-terminal f'ħinijiet differenti, li jirriżultaw f'differenza ta 'dewmien ta' ħin u jiffurmaw dispersjoni intermodali, u b'hekk jikkawżaw twessigħ tal-wisa 'tal-polz. It-twessigħ tal-polz minħabba dispersjoni modali jidher fil-Figura 2-10. Għal fibra ta 'modalità waħda ideali, peress li modalità waħda biss (modalità fundamentali - modalità LP jew HE) hija trażmessa, m'hemm l-ebda dispersjoni modali, iżda teżisti dispersjoni tal-mod ta' polarizzazzjoni.

Issa, nistmaw id-dispersjoni modali massima ta' fibra multimode ta' pass-indiċi. Id-dispersjoni modali ta' fibra multimode ta' pass-indiċi tidher fil-Figura 2-11. F'fibra multimode ta' pass-indiċi, iż-żewġ raġġi li jippropagaw l-aktar mgħaġġla u l-aktar bil-mod huma r-raġġ ① li jippropaga tul l-assi u r-raġġ ② inċident f'angolu kritiku ta '0 grad , rispettivament. Għalhekk, id-dispersjoni tal-modalità massima f'fibra multimode b'indiċi ta' pass hija d-differenza fil-ħin bejn il-ħin meħud mir-raġġ ② (Tmax) u l-ħin meħud mir-raġġ ① (Tmin) biex jilħaq it-terminal, ΔT_mux: ΔT_mux = T_max / T_min

Skont l-ottika ġeometrika, f'fibra ottika ta 'tul L, ħalli l-veloċitajiet tar-raġġi tad-dawl ① u ② tul id-direzzjoni assjali jkunu c/n u sinθ·c/n, rispettivament. Għalhekk, id-dispersjoni modali tal-fibra ottika hija...

F'fibri ottiċi dgħajjef ggwidati (fibri fejn n_iu n_iivarjaw ftit li xejn), A=(n_i- n)/n. Jekk Δ=1%, n_i= 1.5 għal fibri ottiċi tas-silika, u t-tul tal-fibra huwa 1 km, allura d-dispersjoni intermodali massima ΔT_mjistgħu jiġu kkalkulati bħala 50 ns. Għalhekk, huwa evidenti li aktar ma jkun itwal it-tul tal-fibra, iktar tkun severa t-tixrid intermodali; u iktar ma tkun kbira d-differenza relattiva ta 'l-indiċi ta' rifrazzjoni Δ, iktar tkun severa t-tixrid intermodali.

Dispersjoni tal-materjal

Minħabba li l-indiċi refrattiv tal-materjali tal-fibra ottika jvarja skont il-wavelength tad-dawl, il-veloċità tal-grupp ta 'frekwenzi differenti tas-sinjal ottiku tvarja, u tikkawża differenza ta' dewmien fit-trasmissjoni, fenomenu magħruf bħala dispersjoni tal-materjal. Din id-dispersjoni tiddependi fuq il-karatteristiċi tal-wavelength tal-indiċi refrattiv tal-materjal tal-fibra ottika u l-wisa 'tal-linja tas-sors tad-dawl.

F'sistemi ta 'komunikazzjoni tal-fibra ottika diġitali, id-dawl tal-ħruġ mis-sors tad-dawl attwali mhuwiex wavelength wieħed iżda għandu ċertu wisa' tal-linja spettrali. Peress li l-indiċi refrattiv tal-materjal tal-fibra huwa funzjoni tal-wavelength, il-veloċità tal-propagazzjoni tad-dawl fi ħdanu (λ)=c/n(λ) tvarja wkoll mal-wavelength. Meta polz tad-dawl emess minn sors tad-dawl b'ċertu wisa 'tal-linja spettrali huwa inċident fuq fibra ta' modalità waħda-u jippropaga, impulsi tad-dawl ta 'tul ta' mewġ differenti se jkollhom veloċitajiet ta 'propagazzjoni differenti, li jirriżultaw f'differenza ta' dewmien fil-ħin meta jilħqu t-tarf tal-output, u b'hekk jikkawża twessigħ tal-polz. Dan huwa l-mekkaniżmu tat-tixrid tal-materjal.

Jekk il-veloċità tal-grupp hija magħrufa li hija u=da/dB, allura d-dewmien tal-grupp għal kull unità ta' tul huwa T=1/v,=n,/c. Għalhekk, id-dispersjoni materjali ta 'fibra ottika ta' tul L hija...

Fil-formula, c hija l-veloċità tad-dawl fil-vakwu; λ huwa l-indiċi refrattiv tal-qalba tal-fibra; λ huwa l-wavelength tad-dawl; u Aλ hija l-wisa 'tal-linja spettrali tas-sors tad-dawl, fejn Aλ=λ - λ, li tirrappreżenta l-firxa tal-wavelength iċċentrata f'A. Ġeneralment, il-koeffiċjent tad-dispersjoni jintuża biex ikejjel il-kobor tad-dispersjoni. Il-koeffiċjent tad-dispersjoni D (unità: ps/(nm·km)) huwa definit bħala...

Wieħed jista 'jara li l-koeffiċjent ta' dispersjoni huwa t-tixrid ikkawżat minn sors tad-dawl b'wisa 'tal-linja spettrali ta' unità li tippropaga f'tul ta 'unità ta' fibra ottika. Jekk il-koeffiċjent tad-dispersjoni tal-materjal tal-fibra ottika huwa magħruf, it-tixrid tal-materjal jista 'jiġi kkalkulat faċilment bħala ΔTm=DmAAL.

Eżempju 2-1: Ejja ngħidu li l-koeffiċjent massimu tad-dispersjoni tal-materjal ta 'fibra ottika f'wavelength ta' 1.31m huwa D=3.5ps/(nm·km). Jekk jintuża laser semikonduttur b'tul ta 'mewġ taċ-ċentru ta' 1.31µm biex jiġġenera dawl ta 'trażmissjoni b'wisa' tal-linja spettrali ta 'λ=4nm, ikkalkula t-tixrid tal-materjal ikkawżat minn dan id-dawl li jippropaga f'tul ta' 1 km ta 'fibra ottika.

Soluzzjoni: It-tixrid tal-materjal tal-fibra ottika jista 'jiġi kkalkulat faċilment bħala:

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

Kif jidher fl-Eżempju 2-1, id-dispersjoni tal-materjal hija relattivament żgħira, saħansitra iżgħar mid-dispersjoni modali ta 'fibra multimode ta' indiċi ta 'pass. Għandu jiġi nnutat ukoll li l-koeffiċjent ta 'dispersjoni ta' fibra ottika (mhux biss il-koeffiċjent ta 'dispersjoni tal-materjal) jista' jkun pożittiv jew negattiv. Fil-fibra ottika, id-dewmien tal-grupp (A) jiżdied mal-wavelength tat-trasportatur; fi kliem ieħor, mewġ tad-dawl ta 'wavelength iqsar jippropaga aktar malajr.F'dan il-każ, il-koeffiċjent tad-dispersjoni huwa negattiv, imsejjaħ dispersjoni negattiva; bil-maqlub, mewġ tad-dawl itwal wavelength jippropaga aktar bil-mod minn wavelength iqsar mewġ tad-dawl.

Hawnhekk, il-koeffiċjent tad-dispersjoni huwa pożittiv, imsejjaħ dispersjoni pożittiva. B'mod ċar, jekk żewġ fibri ottiċi b'sinjali ta 'koeffiċjent ta' dispersjoni opposti jiġu mgħaqqda flimkien, it-tixrid tal-materjal se jitjieb.

dispersjoni tal-gwida tal-mewġ

Id-dispersjoni tal-gwida tal-mewġ ΔTw tirreferi għal modalità gwidata speċifika f'fibra ottika. Wavelengths differenti għandhom kostanti ta 'fażi differenti, li jirriżultaw f'veloċitajiet ta' grupp differenti u għalhekk dispersjoni. Id-dispersjoni tal-gwida tal-mewġ hija wkoll relatata ma 'diversi fatturi bħall-parametri strutturali tal-fibra ottika u d-differenza relattiva tal-indiċi refrattiv bejn il-qalba u l-kisi; għalhekk, tissejjaħ ukoll dispersjoni strutturali.

Dispersjoni tal-mod ta 'polarizzazzjoni

Id-dispersjoni tal-mod ta' polarizzazzjoni hija tip ta' tixrid uniku għal fibri ottiċi ta'{0}}modalità waħda. Minħabba li l-fibri b'modalità waħda fil-fatt jittrasmettu żewġ modi ta 'polarizzazzjoni reċiprokament ortogonali, il-kampi elettriċi tagħhom huma polarizzati tul id-direzzjonijiet x u y, rispettivament.

Bandwidth tal-fibra ottika

It-tixrid u l-wisa 'tal-frekwenza tal-fibri ottiċi jiddeskrivu l-istess karatteristika. Fil-fatt, id-dispersjoni tiddeskrivi l-punt sa liema polz tad-dawl jwessa 'tul l-assi tal-ħin wara t-trażmissjoni; hija deskrizzjoni tal-karatteristiċi tal-fibra fid-dominju tal-ħin. Bandwidth, min-naħa l-oħra, jiddeskrivi din il-karatteristika fid-dominju tal-frekwenza. Fid-dominju tal-frekwenza, għal sinjal modulanti, il-fibra ottika tista' titqies bħala filtru ta' pass baxx-. Meta l--komponenti ta 'frekwenza għolja tas-sinjal modulanti jgħaddu minnha, huma attenwati ħafna. Jiġifieri, jekk l-amplitudni tas-sinjal tad-dħul (sinjal modulanti) tibqa 'kostanti, iżda l-frekwenza biss tinbidel, l-amplitudni tas-sinjal tal-ħruġ wara t-trasmissjoni permezz tal-fibra tinbidel bil-frekwenza tas-sinjal modulanti (sinjal tad-dħul). TTU-T jirrakkomanda li jiġi speċifikat li l-faxxa tal-frekwenza ta' fibra ottika hija [faxxa tal-frekwenza għal kull kilometru].