Nodweddion ffibrau optegol

Wedisignalau optegol yn teithiopellter penodol trwy ffibr optegol, maent yn cael eu gwanhau ac afluniad, gan achosi i'r curiadau signal optegol mewnbwn ac allbwn amrywio. Mae hyn yn amlygu ei hun fel gwanhad osgled ac ehangu tonffurf y corbys optegol. Achos y ffenomen hon yw presenoldeb colled a gwasgariad o fewn y ffibr optegol. Colled a gwasgariad yw'r paramedrau pwysicaf sy'n disgrifio nodweddion trosglwyddo ffibrau optegol, gan gyfyngu ar bellter trosglwyddo a chynhwysedd y system. Mae'r adran hon yn trafod yn bennaf fecanweithiau a nodweddion colled a gwasgariad ffibr optegol.

★Nodweddion ffibrau optegol (rhan 2)

Colli nodweddion ffibr optegol

Mae colled ffibr optegol yn arwain at wanhau signal, felly gelwir colled ffibr optegol hefyd yn wanhad. Wrth i'r pellter gynyddu mewn ffibr optegol, mae dwyster y signal golau yn lleihau, fel a ganlyn: P(z)=P(0) /10 - (4) lle P(z) yw'r pŵer optegol ar bellter trawsyrru z; P(0) yw'r mewnbwn pŵer optegol i'r ffibr optegol, hy, y pŵer optegol a chwistrellir yn z=0; (λ) yw'r cyfernod gwanhau ffibr optegol ar donfedd mewn dB/km; ac L yw'r pellter trosglwyddo.

Pan t=L, diffinnir y cyfernod gwanhau ffibr fel

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

Pan fo'r donfedd gweithio λ yn dB, os yw'r cyfernod gwanhau yn cael ei fesur mewn unedau o dB fesul cilomedr, yna mynegir A(λ) (uned yw dB) fel:

A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]

Mae cyfathrebu ffibr optegol wedi datblygu ochr yn ochr â gwelliannau parhaus mewn gweithgynhyrchu ffibr optegol, yn benodol lleihau colled ffibr. Colli ffibr yw un o'r prif ffactorau sy'n pennu'r pellter cyfnewid mewn system gyfathrebu ffibr optegol. Mae llawer o ffactorau'n cyfrannu at golli ffibr, yn bennaf colli amsugno, colled gwasgariad, a cholled ychwanegol, ac mae'r mecanweithiau sy'n sail i'r colledion hyn yn eithaf cymhleth. Mae'r drafodaeth ganlynol yn defnyddio ffibr optegol silica fel enghraifft i ddangos y gwahanol achosion o golled.

Colli Amsugno

Mae colled amsugno yn bennaf yn cynnwys amsugno cynhenid, amsugno amhuredd (radicalau OH), ac amsugno diffygion strwythurol. Mae amsugno cynhenid ​​​​yn cynnwys amsugno isgoch ac uwchfioled.

Amsugno isgoch yw amsugno egni golau a achosir gan gyseiniant moleciwlaidd pan fydd golau'n mynd trwy wydr cwarts sy'n cynnwys SiO2. Er enghraifft, mae copaon amsugno Si-O yn 9.1 μm, 12.5 μm, a 21.3 μm, ac mae colled amsugno ffibr optegol mor uchel â 10 dB/km ar 9.1 μm. Amsugniad uwchfioled yw'r egni sy'n cael ei amsugno pan fydd electronau'n gyffrous i drosglwyddo i lefelau egni uwch gan donnau golau. Mae'r amsugniad hwn yn digwydd yn y rhanbarth uwchfioled ac felly fe'i gelwir fel arfer yn amsugno uwchfioled. Mae deunyddiau gwydr yn cynnwys ïonau metel trosiannol megis haearn a chopr, yn ogystal ag OH- ions.Impurity absorbion yw'r golled a achosir gan amsugno egni golau gan gamau electron a gynhyrchir gan ddirgryniadau ïon o dan excitation tonnau golau. Er enghraifft, ar 1.39 μm, mae'r gwanhad yn 60 dB/km pan fo'r crynodiad ïon OH- yn 1 × 10⁻⁶.

Gwasgaru colled

Colled gwasgariad yw'r golled sy'n pelydru egni golau allan o'r ffibr optegol ar ffurf gwasgariad. Mae'n cael ei achosi gan y dwysedd nad yw'n unffurf o fewn y ffibr. Mae'r prif fathau o golled gwasgariad mewn ffibrau optegol yn cynnwys gwasgariad Rayleigh, gwasgaru Mie, gwasgariad Brillouin wedi'i ysgogi, gwasgariad Raman wedi'i ysgogi, diffygion strwythurol ychwanegol a gwasgariad plygu, a gwasgariad gollyngiadau.

Yn ystod gweithgynhyrchu ffibr optegol, mae symudiad thermol moleciwlau yn y gwydr tawdd yn achosi amrywiadau mewn dwysedd a mynegai plygiannol o fewn ei strwythur, sydd yn ei dro yn achosi gwasgariad golau. Gelwir gwasgariad a achosir gan ronynnau llawer llai na thonfedd golau yn gwasgariad Rayleigh; gelwir gwasgariad a achosir gan ronynnau o'r un donfedd â golau yn gwasgaru Mie.

Gwasgariad Rayleigh yw prif achos colli ffibr. Mae gwasgariad Rayleigh yn dangos priodwedd o fod yn gymesur ag 1/λ o'r donfedd fer, hy, R=K/λ. Mae'r cysonyn cymesuredd K yn gysylltiedig â strwythur a chyfansoddiad y gwydr. Yn gyffredinol, po uchaf yw'r tymheredd trawsnewid gwydr a'r mwyaf cymhleth yw ei gyfansoddiad, y mwyaf yw colled gwasgariad Rayleigh.

Mae dwyster y golau digwyddiad yn dylanwadu ar wasgariad Rayleigh. Ar y llaw arall, mae gwasgariad Brillouin wedi'i ysgogi a gwasgariad Raman ysgogol yn digwydd pan fydd y dwysedd ynni golau yn fwy na gwerth uchel penodol ac yn cael eu cynhyrchu gan y rhyngweithio rhwng golau a'r cyfrwng.

Colledion ychwanegol

Mae colledion ychwanegol (neu golledion cymhwysiad) yn golledion sy'n tarddu o ffynonellau allanol, megis y rhai a achosir gan droelli ffibr neu bwysau ochrol yn ystod y gwaith adeiladu, gosod a gweithredu, gan arwain at blygu macro a micro-ffibr.

Crynhoir achosion colli ffibr yn Ffigur:

Nodweddion gwasgariad ffibrau optegol

Mewn ffiseg, mae gwasgariad yn cyfeirio at y ffenomen lle mae golau o liwiau gwahanol yn cael ei wasgaru ar ôl pasio trwy gyfrwng tryloyw. Mae pelydryn o olau gwyn yn cael ei rannu'n fand saith lliw ar ôl pasio trwy brism. Mae hyn oherwydd bod gan wydr fynegeion plygiannol gwahanol ar gyfer gwahanol liwiau (amleddau gwahanol neu donfeddi gwahanol). Po hiraf yw'r donfedd (neu'r isaf yw'r amledd), yr isaf yw mynegai plygiannol y gwydr; po fyrraf yw'r donfedd (neu po uchaf yw'r amledd), yr uchaf yw'r mynegai plygiannol. Mewn geiriau eraill, mae mynegai plygiannol gwydr yn swyddogaeth o amledd (neu donfedd) y don golau. Pan fydd golau gwyn sy'n cynnwys gwahanol liwiau yn digwydd ar yr un ongl θ, yn ôl cyfraith plygiant (n=sinθ/n²), bydd gan wahanol liwiau golau onglau plygiant gwahanol oherwydd y gwahanol werthoedd n², gan wahanu'r gwahanol liwiau golau, gan arwain at wasgariad. Gan fod n=c/n (lle c yw buanedd golau, c=3 × 10⁻⁶ m/s), mae'n amlwg bod gwahanol liwiau golau yn teithio ar gyflymder gwahanol o fewn y gwydr.

Mewn theori lluosogi ffibr optegol, mae ystyr y term "gwasgariad" wedi'i ehangu. Mewn ffibrau optegol, mae signalau'n cael eu cario a'u trosglwyddo gan donnau ysgafn o lawer o wahanol foddau neu amleddau. Pan fydd y signal yn cyrraedd y derfynell, mae gwahanol foddau neu amleddau tonnau golau yn profi gwahaniaethau oedi trosglwyddo, gan achosi ystumiad signal. Gelwir y ffenomen hon gyda'i gilydd yn wasgariad. Ar gyfer signalau digidol, mae gwasgariad yn achosi ehangu pwls ar ôl lluosogi pellter penodol trwy'r ffibr. Mewn achosion difrifol, bydd corbys olynol yn gorgyffwrdd, gan ffurfio ymyrraeth rhyngsymbol. Felly, mae gwasgariad yn pennu lled band trawsyrru'r ffibr optegol ac yn cyfyngu ar gyfradd drosglwyddo'r system neu bellter ailadroddydd. Mae gwasgariad a lled band yr un nodwedd o ffibrau optegol a ddisgrifir o wahanol safbwyntiau.

Yn seiliedig ar achosion gwasgariad, mae gwasgariad ffibr optegol wedi'i rannu'n bennaf yn: gwasgariad moddol, gwasgariad deunydd, gwasgariad waveguide, a gwasgariad modd polareiddio, a gyflwynir isod.

Gwasgariad Modd

Yn gyffredinol, mae gwasgariad moddol yn bodoli mewn ffibrau amlfodd. Oherwydd bod moddau lluosog yn cydfodoli mewn ffibr amlfodd, a bod cyflymder lluosogi grŵp gwahanol foddau ar hyd yr echel ffibr yn wahanol, mae'n anochel y byddant yn cyrraedd y derfynell ar wahanol adegau, gan arwain at wahaniaeth oedi amser a ffurfio gwasgariad rhyngfoddol, gan achosi ehangu lled pwls. Dangosir ehangu curiad y galon oherwydd gwasgariad moddol yn Ffigur 2-10. Ar gyfer ffibr modd sengl delfrydol, gan mai dim ond un modd (modd sylfaenol - modd LP neu AU) sy'n cael ei drawsyrru, nid oes gwasgariad moddol, ond mae gwasgariad modd polareiddio yn bodoli.

Nawr, rydym yn amcangyfrif y gwasgariad moddol mwyaf o ffibr amlfodd cam-mynegai. Dangosir gwasgariad moddol cam-mynegai ffibr amlfodd yn Ffigur 2-11. Mewn ffibr amlfodd mynegai cam-, y ddau belydr lluosogi cyflymaf ac arafaf yw'r pelydr ① sy'n lluosogi ar hyd yr echelin a'r digwyddiad pelydr ② ar ongl gritigol o 0 gradd , yn y drefn honno. Felly, y gwasgariad modd mwyaf mewn ffibr amlfodd cam-mynegai yw'r gwahaniaeth amser rhwng yr amser a gymerir gan ray ② (Tmax) a'r amser a gymerir gan ray ① (Tmin) i gyrraedd y derfynell, ΔT_mux: ΔT_mux = T_max / T_min

Yn ôl opteg geometrig, mewn ffibr optegol hyd L, gadewch i gyflymder pelydrau golau ① a ② ar hyd y cyfeiriad echelinol fod yn c/n a sinθ·c/n, yn y drefn honno. Felly, gwasgariad moddol y ffibr optegol yw ...

Mewn ffibrau optegol gwan (ffibrau lle mae n_iac n_igwahaniaethu ychydig iawn), A=(n_i- n)/n. Os yw Δ=1%, n_i= 1.5 ar gyfer ffibrau optegol silica, ac mae'r hyd ffibr yn 1 km, yna'r gwasgariad rhyngfoddol uchaf ΔT_mgellir ei gyfrifo fel 50 ns. Felly, mae'n amlwg po hiraf yw hyd y ffibr, y mwyaf difrifol yw'r gwasgariad rhyngfoddol; a'r mwyaf yw'r gwahaniaeth mynegai plygiannol cymharol Δ, y mwyaf difrifol yw'r gwasgariad rhyngfoddol.

Gwasgariad deunydd

Oherwydd bod mynegai plygiannol deunyddiau ffibr optegol yn amrywio gyda thonfedd golau, mae cyflymder grŵp gwahanol amleddau'r signal optegol yn wahanol, gan achosi gwahaniaeth oedi wrth drosglwyddo, ffenomen a elwir yn wasgariad deunydd. Mae'r gwasgariad hwn yn dibynnu ar nodweddion tonfedd mynegai plygiannol y deunydd ffibr optegol a linewidth y ffynhonnell golau.

Mewn systemau cyfathrebu ffibr optig digidol, nid yw'r golau allbwn o'r ffynhonnell golau gwirioneddol yn donfedd sengl ond mae ganddo linewidth sbectrol penodol. Gan fod mynegai plygiannol y deunydd ffibr yn swyddogaeth tonfedd, mae cyflymder lluosogi golau ynddo (λ)=c/n(λ) hefyd yn amrywio gyda'r donfedd. Pan fydd pwls golau a allyrrir gan ffynhonnell golau gyda llinell sbectrol penodol yn digwydd ar ffibr un modd ac yn lluosogi, bydd gan gorbys golau o wahanol donfeddi gyflymder lluosogi gwahanol, gan arwain at wahaniaeth oedi amser pan fyddant yn cyrraedd pen yr allbwn, gan achosi ehangu curiad y galon. Dyma fecanwaith gwasgariad deunydd.

Os yw'n hysbys mai'r cyflymder grŵp yw u=da/dB, yna'r oediad grŵp fesul hyd uned yw T=1/v,=n,/c. Felly, gwasgariad deunydd ffibr optegol hyd L yw ...

Yn y fformiwla, c yw cyflymder golau mewn gwactod; λ yw mynegai plygiannol y craidd ffibr; λ yw tonfedd golau; ac Aλ yw llinell sbectrol y ffynhonnell golau, lle mae Aλ=λ - λ, yn cynrychioli'r amrediad tonfedd wedi'i ganoli ar A. Yn gyffredinol, defnyddir y cyfernod gwasgariad i fesur maint y gwasgariad. Diffinnir y cyfernod gwasgariad D (uned: ps/(nm·km)) fel...

Gellir gweld mai'r cyfernod gwasgariad yw'r gwasgariad a achosir gan ffynhonnell golau gyda linewidth sbectrol uned yn lluosogi mewn hyd uned o ffibr optegol. Os yw cyfernod gwasgariad deunydd y ffibr optegol yn hysbys, gellir cyfrifo gwasgariad deunydd yn hawdd fel ΔTm=DmAAL.

Enghraifft 2-1: Tybiwch mai cyfernod gwasgariad defnydd mwyaf ffibr optegol ar donfedd o 1.31m yw D=3.5ps/(nm·km). Os defnyddir laser lled-ddargludyddion â thonfedd canol o 1.31µm i gynhyrchu golau trawsyrru gyda llinell sbectrol o λ=4nm, cyfrifwch y gwasgariad deunydd a achosir gan y golau hwn yn ymledu mewn hyd 1km o ffibr optegol.

Ateb: Gellir cyfrifo gwasgariad deunydd y ffibr optegol yn hawdd fel:

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

Fel y gwelir yn Enghraifft 2-1, mae gwasgariad y deunydd yn gymharol fach, hyd yn oed yn llai na gwasgariad moddol ffibr amlfodd cam-mynegai. Dylid nodi hefyd y gall cyfernod gwasgaru ffibr optegol (nid dim ond y cyfernod gwasgaru deunydd) fod yn gadarnhaol neu'n negyddol. Mewn ffibr optegol, mae'r oedi grŵp (A) yn cynyddu gyda thonfedd y cludwr; mewn geiriau eraill, mae tonnau golau tonfedd byrrach yn lluosogi yn gyflymach.Yn yr achos hwn, mae'r cyfernod gwasgariad yn negyddol, a elwir yn wasgariad negyddol; i'r gwrthwyneb, mae tonnau golau tonfedd hirach yn lluosogi'n arafach na thonfedd tonnau golau byrrach.

Yma, mae'r cyfernod gwasgariad yn bositif, a elwir yn wasgariad positif. Yn amlwg, os yw dau ffibr optegol ag arwyddion cyfernod gwasgariad cyferbyniol yn cael eu hasio gyda'i gilydd, bydd y gwasgariad deunydd yn cael ei wella.

gwasgariad waveguide

Mae gwasgariad Waveguide ΔTw yn cyfeirio at fodd penodol dan arweiniad mewn ffibr optegol. Mae gan wahanol donfeddi gysonion cyfnod gwahanol, gan arwain at gyflymder grŵp gwahanol ac felly gwasgariad. Mae gwasgariad Waveguide hefyd yn gysylltiedig â ffactorau amrywiol megis paramedrau strwythurol y ffibr optegol a'r gwahaniaeth mynegai plygiannol cymharol rhwng y craidd a'r cladin; felly, fe'i gelwir hefyd yn wasgariad strwythurol.

Gwasgariad modd polareiddio

Mae gwasgariad modd polareiddio yn fath o wasgariad sy'n unigryw i ffibrau optegol un modd. Gan fod ffibrau modd sengl mewn gwirionedd yn trosglwyddo dau ddull polareiddio orthogonol i'w gilydd, mae eu meysydd trydan wedi'u polareiddio ar hyd y cyfarwyddiadau x ac y, yn y drefn honno.

Lled band ffibr optig

Mae gwasgariad a lled band ffibrau optegol yn disgrifio'r un nodwedd. Mewn gwirionedd, mae gwasgariad yn disgrifio i ba raddau y mae pwls ysgafn yn ehangu ar hyd yr echelin amser ar ôl ei drosglwyddo; mae'n ddisgrifiad o nodweddion y ffibr yn y parth amser. Mae lled band, ar y llaw arall, yn disgrifio'r nodwedd hon yn y parth amlder. Yn y parth amledd, ar gyfer signal modiwleiddio, gellir ystyried y ffibr optegol yn hidlydd pasio isel. Pan fydd cydrannau amledd uchel y signal modylu yn mynd drwyddo, cânt eu gwanhau'n ddifrifol. Hynny yw, os yw osgled y signal mewnbwn (signal modiwleiddio) yn aros yn gyson, ond dim ond y newidiadau amlder, bydd osgled y signal allbwn ar ôl ei drosglwyddo trwy'r ffibr yn newid gydag amlder y signal modylu (signal mewnbwn). Mae TTU-T yn argymell nodi mai lled band ffibr optegol yw [lled band fesul cilomedr].