fizikinių savybių vykstančių optiniame kabelyje apžvalga

2. FIZIKINIŲ PROCESŲ, VYKSTANČIŲ OPTINIAME KABELYJE APŽVALGA

2.1 Skaidulinio šviesolaidžio sandara

Siekiant pateikti išsamią naudojamų optinio perdavimo įrenginių ir metodų apžvalgą, pirmiausia reikia išsiaiškinti, kaip ir kokie procesai vyksta optiniame kabelyje. Optinė skaidula yra sudaryta iš šių dalių: skaidrios šerdies ir vieno ar net kelių apsauginių plastmasinių sluoksnių, saugančių nuo išorinio poveikio ir suteikiančių optiniam kabeliui stiprumo.

2.1pav. Šviesolaidis
(1 – šerdis; 2 – apvalkalas; 3 – slopintuvas)

Ties dviejų aplinkų su skirtingais lūžių rodikliais riba atsiranda šviesos lūžis. Šviesai pereinant iš optiškai tankesnės aplinkos į aplinką su mažesniu lūžio rodikliu, kai kritimo kaampas φ yra mažesnis už kritinį, tai lūžio kampas φ* yra didesnis už kritimo kampą (2.2 pav. a). Šviesos lūžio dėsnį galima išreikšti

n1sinφ=n2sinφ* (2.1)

Kritinį kritimo kampą galima išreikšti

sin φkr=n2/n1 (2.2)

kai φ>φkr gauname visišką atspindį (2.2 pav. c)

2.2 pav. Šviesos lūžis ir atspindys ties dviejų aplinkų riba

Šviesolaidžiuose yra pritaikomas visiškas šviesos atspindys. Optinės skaidulos, skirtos telekomunikacijoms, yra savotiškas apvalaus skerspjūvio dielektrinis bangolaidis.

2.2 Reiškiniai optinės skaidulos medžiagoje

Žinoma, kad šviesa yra elektromagnetinė banga, o elektromagnetinių bangų sklidimo greičiui skaidrioje medžiagoje turi įtakos bangų ir medžiagos sąveika. Kadangi ši sąąveika priklauso nuo dažnio, tai medžiagoje atsiranda dispersija.

Elektromagnetiniai virpesiai sužadina medžiagos molekulių atomų ir elektronų virpesius. Virpantys kūnai spinduliuoja elektromagnetinius virpesius, kurie interferuoja su pradinėmis bangomis. Kintant dažniui, kinta medžiagos poliarizuotumas, kinta medžiagos dielektrinė skvarba ir lūžio rodiklis. Lūžio rodiklis yr

ra kompleksinis dydis, išreiškiamas

n*=n+jn’=c(β+j)/ω (2.3)

čia β – fazės koeficientas, m – slopinimo koeficientas

Realioji lūžio rodiklio dedamoji lemia šviesos greitį, o menamoji – slopinimą. Tuose dažnių ruožuose, kuriuose smarkiai kinta lūžio rodiklis, stebimas žymus slopinimas. Kai dažnis yra aukštesnis už rezonansinį, tai, kylant dažniui, lūžio rodiklis auga lėtai. Tuomet dydis dn/dλ yra mažas neigiamas ir rodo, kad, ilgėjant bangai, lūžio rodiklis mažėja. Optinėse telekomunikacijose skaidulos lūžio rodiklis kinta, į skaidulą įvedant tam tikrų priemaišų. Jei įvesime B2O3 ar F, tai lūžio rodiklis mažės, o jei GeO2 ar P2O5 – didės. Ekspermentiškai yra nustatyta, kad geri rezultatai pasiekiami skaidulos šerdį legiravus germanio oksidu, o apvalkalą – fluoru. Taigi šviesos lūžio rodiklis optinio šviesolaidžio skaiduloje priklauso nuo priemaišų koncentracijos ir šviesos bangos ilgio. Dėl lūžio rodiklio priklausomybės nuo bangos ilgio attsiranda šviesos dispersija, dėl kurios optinėse telekomunikacijose išplinta šviesos signalai.

2.2.1 Dispersija

Šviesos spindulių sklidimą skaiduloje galima pavaizduoti schema
2.3pav. Šviesos sklidimas šerdyje

Jeigu skaidulos ilgis yra l, tai 1 spindulys, sklindantis skaidulos ašies kryptimi, šį nuotolį įveiks per

t1=l/v=n1l/c (2.4)

Antrasis spindulys, kurio φ=φkr, tą patį nuotolį įveikia per

t2=n1l/csinφkr=n12l/n2c (2.5)

Taigi kartu į šerdį patekę spinduliai jos galą pasieks skirtingais laiko momentais. Vėlinimo laiko išsibarstymą – šviesos dispersiją – galima nusakyti dydžiu

(2.6)
Tada

(2.7)
Įrodoma, kad informacijos perdavimo greitis yra B1/t, tada

(2.8)

Iš 2.7 ir 2.8 formulių matyti, kad, didėjant apvalkalo lūžio rodikliui ir mažėjant n, di

ispersija skaiduloje mažėja ir didėja informacijos perdavimo greitis. Tuo nesunkiai galima įsitikinti paanalizavus porą pavyzdžių (1. n1=1.5; n=0.5; t/l2.5s/km; Bl0.4(Mb/s)km. 2. n1=1.46; n=0.02; t/l0.07ns/km; Bl15(Mb/s)km) Galima būtų teigti, kad, norint gauti pakankamai didelį informacijos perdavimo greitį ir mažą šviesos dispersiją, reikia mažinti optinės skaidulos ir jos apvalkalo lūžio rodiklių skirtumą (n). Tačiau, mažėjant n iš 2.2 formulės matome, kad didėja φkr ir taip pt mažėja šviesos spindulio maksimalaus kritimo į skaidulą kampas m. Tai galima įrodyti remiantis 2.1 formule ir 2.3 pav.

nasinm=n1sinm=n1cosφkr (2.9)

na – skaidulos aplinkos (oro) lūžio rodiklis

Kadangi sinφkr=n2/n1, tai , tai pagal (2.9) formulę

(2.10)

Didėjant m, didėja krintančios į skaidulos galą šviesos dalis, patenkanti į pačią skaidulą. Todėl norint didinti m, reikia didinti n. Sandauga nasinm yra vadinama skaitine apertūra ir žymima NA (angl. Numerical Aperture). Pagal 2.10 formulę

NA=nasinm= n=0.5(n1+n2)

Jei na=11 ir šviesos šaltinio kryptingumo char. galima išreikšti santykiu I()=cos, tai į optinę skaidulą patenkanti šviesos srauto dalis yra išreiškiama (NA)2=/0. Kai n=1.46 ir n/n=1, tai NA0.17, o (NA)20.029. Tai reiškia, kad į skaidulą pateks tik apie 3 šaltinio spinduliuojamo šviesos srauto.Dėl aptartų priežasčių reikia mažinti šviesos dispersiją pernelyg nemažinant n. Tam paprastai taikomi du pagrindiniai būdai:
1. Yra naudojamos optinės skaidulos su gradientuniu lūžio rodiklio profiliu
2.4 pav. Skaidulinis šviesolaidis (a) su gradientiniu
lūžio rodikliu (b)

Visos skaidulos skersmuo yra 125m, o šerdies skersmuo 50m. 2.4 pav. pavaizduotoje skaiduloje lūžio ro

odiklis laipsniškai mažėja tolstant nuo šerdies centro. Dėl to tiesioginis spindulys sklinda aplinka, turinčia didžiausią lūžio rodiklį ir jo sklidimo greitis yra pakankamai mažas. Tuo tarpu įstriži spinduliai sklinda retesne aplinka, tačiau jiems tenka nueiti didesnį kelią. Tokiam šviesolaidžiui užrašius išraišką

t/l=n02/8c (2.11)

ir palyginus ją su 2.7 formule, galime pastebėti, kad atsiranda papildomas daugiklis /8. Čia (n0-n2)n0. Kai n0=1.47; n2=1.45; tai =0.0135 ir =1.973, tai t/l110ps/km. Šis rezultatas yra beveik trimis eilėmis geresnis nei prieš tai analizuotas. Aišku, kad parabolinis lūžio rodiklio profilis leidžia žymiai sumažinti dispersiją. Be to, kai 2, dispersija labai priklauso nuo . Todėl skaidulos lūžio rodiklio profilis turi būti labai tikslus.

2. Antrasis būdas yra plačiau praktiškai pritaikytas, todėl jis bus apžvelgtas išsamiau. Kadangi šviesa yra elektromagnetinė banga, tai šviesos sklidimą optinėje skaiduloje tenka nagrinėti kaip elektromagnetinių bangų sklidimą dielektriniame bangolaidyje. Taip nagrinėjant nesunku įsitikinti, kad šviesos dispersijos priežastis yra modų dispersija. Anksčiau minėtos optinės skaidulos buvo daugiamodės. Daugiamodėje skaiduloje modų skaičius yra didelis ir gali siekti iki 1000 modų.

Nagrinėjant elektromagnetinių bangų sklidimą begalinių matmenų dielektrinėje plokštėje, kurios storis yra 2d, įvedamas pagalbinis parametras V=2 . Kadangi šis parametras yra atvirkščiai proporcingas , todėl vadinamas normuotu dažniu. Modų skaičių M galima rasti iš santykio 2V/, apvalinant gautą rezultatą iki didesniojo sveiko skaičiaus. Apvalaus skerspjūvio skaiduloje, kurios skersmuo yr

ra yra 2a, o lūžio rodiklio profilis laiptuotas, modų skaičių galima rasti iš santykio: MV2/2. Jei lūžio rodiklio profilis yra gradientinis, tada modų skaičius yra randamas iš santykio MV2/4. Jei V2.405, tai skaidula yra vienmodė (sklinda vienintelė moda HE11). Ši sąlyga tenkinama, kai

(2.12)

Skaidulos, kurios skersmuo yra 2a, kritinis bangos ilgis išreiškiamas formule

(2.13)

Jei kr, tai aukštesnės modos sklisti negali. Pavyzdžiui, jei =1.3m, n=1.45, n=0.004, tai 2a10m. Optinėse ryšio linijose panaudojus vienmodes skaidulas, pavyksta išvengti modų dispersijos. Tačiau vienmodės skaidulos šerdies skerspjūvio plotas yra labai mažas, todėl reikalingas šviesos šaltinis, kurio emisijos plotas taip pat labai mažas. Be to, šviesos impulsas, sklisdamas vienmode aplinka taip pat šiek tiek išplinta. Tai lemia chromatinė dispersija. Ji atsiranda todėl, kad šaltinis spinduliuoja šviesą tam tikrame bangų ruože . Pavyzdžiui, šviesos diodo 40nm., lazerinio diodo – 2-4nm. Kadangi skirtingų bangos ilgių šviesa sklinda skirtingu greičiu, tai šviesos impulsas išplinta

(2.14)
čia D – chromatinės dispersijos parametras, matuojamas ps/(kmnm). Paprastai yra išskiriamos dvi chromatinės dispersijos dedamosios: dėl skaidulos medžiagos ir dėl šviesos sklidimo skaiduloje įpatumų.

2.2.2 Slopinimas

Optinėms skaiduloms reikalingos medžiagos, kuriose elektromagnetinių bangų slopinimas 0.5 – 22m bangų ruože būtų minimalus. Sklindant šviesai z ašies kryptimi, energijos nuostoliai yra proporcingi  ir dz.

-dW=Wdz (2.15)

Šios lygties sprendinys yra

W(z)=W(0)exp(-z) (2.16)

Taigi dėl slopinimo optinėje skaiduloje šviesos impulsų energija z ašies kryptimi eksponentiškai mažėja. Slopinimas yra matuojamas – dB/km. 1 dB/km gaunama, kai =2.3*104 m-1. Slopinimą lemia šviesos absorbcija ir sklaida.

Absorbcija atsiranda todėl, kad šviesa sužadina medžiagos elektronus ir atomus. Jų relaksacijos metu energija virsta šiluma. Slopinimas didėja rezonansinių dažnių aplinkoje. Ultravioletinių bangų ruože rezonansiniai dažniai priklauso nuo draustinės juostos pločio, juos lemia medžiagos elektroninė struktūra. Infraraudonųjų spindulių ruože rezonansinius reiškinius lemia gardelės atomų virpesiai. Nors kvarcinio stiklo rezonansiniai dažniai yra gana toli nuo optinėms telekomunikacijoms panaudojamų bangų ruožo, bet, norint pasiekti gauti minimalų slopinimą, rezonansinių reiškinių įtaka yra esminė. Įrodoma, kad slopinimas yra minimalus, kai bangos ilgis =1.5 m.

2.3 Dalies išvados

Leave a Comment