ลักษณะของเส้นใยนำแสง

หลังจากสัญญาณแสงเดินทางในระยะห่างที่กำหนดผ่านใยแก้วนำแสง พวกมันจะเกิดการลดทอนและการบิดเบือน ส่งผลให้พัลส์สัญญาณออปติคอลอินพุตและเอาท์พุตแตกต่างกัน สิ่งนี้แสดงให้เห็นเป็นการลดทอนของแอมพลิจูดและการขยายรูปคลื่นของพัลส์แสง สาเหตุของปรากฏการณ์นี้คือการมีอยู่ของการสูญเสียและการกระจายตัวภายในใยแก้วนำแสง การสูญเสียและการกระจายตัวเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดที่อธิบายลักษณะการส่งผ่านของใยแก้วนำแสง ซึ่งจำกัดระยะการส่งและความจุของระบบ ในส่วนนี้จะกล่าวถึงกลไกและลักษณะของการสูญเสียและการกระจายตัวของใยแก้วนำแสงเป็นหลัก

★ลักษณะของเส้นใยนำแสง (ตอนที่ 2)

ลักษณะการสูญเสียของใยแก้วนำแสง

การสูญเสียใยแก้วนำแสงนำไปสู่การลดทอนสัญญาณ ดังนั้นการสูญเสียใยแก้วนำแสงจึงเรียกอีกอย่างว่าการลดทอน เมื่อระยะทางในใยแก้วนำแสงเพิ่มขึ้น ความเข้มของสัญญาณแสงจะลดลงดังนี้: P(z)=P(0) /10 - (4) โดยที่ P(z) คือกำลังแสงที่ระยะการส่งสัญญาณ z; P(0) คือกำลังไฟฟ้าเข้าในใยแก้วนำแสง กล่าวคือ กำลังไฟฟ้าเข้าที่ z=0; (แล) คือค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนของใยแก้วนำแสงที่ความยาวคลื่นในหน่วย dB/กม. และ L คือระยะการส่ง

เมื่อ t=L ค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนของไฟเบอร์ถูกกำหนดเป็น

(แล)=(10/ลิตร) lg[P(0)/P(L)]

เมื่อความยาวคลื่นทำงาน γ คือ dB หากวัดค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนในหน่วย dB ต่อกิโลเมตร ดังนั้น A(แล) (หน่วยคือ dB) จะแสดงเป็น:

A(แลมบ์ดา)=10 ลก[P(0)/P(L)]

การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงได้รับการพัฒนาควบคู่ไปกับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องในการผลิตเส้นใยแก้วนำแสง โดยเฉพาะการลดการสูญเสียเส้นใย การสูญเสียไฟเบอร์เป็นหนึ่งในปัจจัยหลักที่กำหนดระยะรีเลย์ในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสง มีหลายปัจจัยที่ทำให้เกิดการสูญเสียเส้นใย โดยหลักๆ แล้วการสูญเสียการดูดซึม การสูญเสียการกระเจิง และการสูญเสียเพิ่มเติม และกลไกที่เป็นสาเหตุของการสูญเสียเหล่านี้ค่อนข้างซับซ้อน การอภิปรายต่อไปนี้ใช้ใยแก้วนำแสงซิลิกาเป็นตัวอย่างเพื่ออธิบายสาเหตุต่างๆ ของการสูญเสีย

การสูญเสียการดูดซึม

การสูญเสียการดูดซึมส่วนใหญ่ประกอบด้วยการดูดซึมภายใน การดูดซับสิ่งเจือปน (อนุมูล OH) และการดูดซับข้อบกพร่องทางโครงสร้าง การดูดกลืนภายในประกอบด้วยการดูดกลืนแสงอินฟราเรดและอัลตราไวโอเลต

การดูดกลืนแสงอินฟราเรดคือการดูดกลืนพลังงานแสงที่เกิดจากการสั่นพ้องของโมเลกุลเมื่อแสงผ่านแก้วควอตซ์ที่ประกอบด้วย SiO2 ตัวอย่างเช่น ยอดการดูดกลืนแสงของ Si-O อยู่ที่ 9.1 μm, 12.5 μm และ 21.3 μm และการสูญเสียการดูดกลืนแสงของใยแก้วนำแสงสูงถึง 10 dB/km ที่ 9.1 μm การดูดกลืนรังสีอัลตราไวโอเลตคือพลังงานที่ถูกดูดซับเมื่ออิเล็กตรอนรู้สึกตื่นเต้นที่จะเปลี่ยนไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้นด้วยคลื่นแสง การดูดกลืนแสงนี้เกิดขึ้นในบริเวณอัลตราไวโอเลต และมักเรียกว่าการดูดกลืนแสงอัลตราไวโอเลต วัสดุแก้วประกอบด้วยไอออนของโลหะทรานซิชัน เช่น เหล็กและทองแดง รวมถึงไอออน OH- การดูดซับสิ่งเจือปนคือการสูญเสียที่เกิดจากการดูดกลืนพลังงานแสงโดยขั้นของอิเล็กตรอนที่เกิดจากการสั่นของไอออนภายใต้การกระตุ้นของคลื่นแสง ตัวอย่างเช่น ที่ 1.39 μm การลดทอนคือ 60 dB/km เมื่อความเข้มข้นของไอออน OH- อยู่ที่ 1 × 10⁻⁶

การสูญเสียที่กระจัดกระจาย

การสูญเสียการกระเจิงคือการสูญเสียที่แผ่พลังงานแสงออกจากใยแก้วนำแสงในรูปของการกระเจิง มีสาเหตุมาจากความหนาแน่นไม่สม่ำเสมอ-ภายในเส้นใย ประเภทหลักของการสูญเสียการกระเจิงในเส้นใยนำแสง ได้แก่ การกระเจิงแบบเรย์ลี การกระเจิงแบบมิเอะ การกระเจิงแบบบริลลูอินแบบกระตุ้น การกระเจิงแบบรามันแบบกระตุ้น ข้อบกพร่องทางโครงสร้างเพิ่มเติมและการกระเจิงแบบโค้งงอ และการกระเจิงแบบรั่ว

ในระหว่างการผลิตเส้นใยนำแสง การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลในแก้วหลอมเหลวทำให้เกิดความผันผวนในความหนาแน่นและดัชนีการหักเหของแสงภายในโครงสร้าง ซึ่งทำให้เกิดการกระเจิงของแสง การกระเจิงที่เกิดจากอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงมากเรียกว่าการกระเจิงแบบเรย์ลี การกระเจิงที่เกิดจากอนุภาคที่มีความยาวคลื่นเท่ากับแสง เรียกว่า การกระเจิงแบบมิเอะ

การกระเจิงของเรย์ลีเป็นสาเหตุหลักของการสูญเสียเส้นใย การกระเจิงของเรย์ลีห์แสดงคุณสมบัติของการเป็นสัดส่วนกับ 1/แลมของความยาวคลื่นสั้น กล่าวคือ R=K/แล ค่าคงที่สัดส่วน K สัมพันธ์กับโครงสร้างและองค์ประกอบของกระจก โดยทั่วไป ยิ่งอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วสูงขึ้นและองค์ประกอบที่ซับซ้อนมากขึ้น การสูญเสียการกระเจิงของเรย์ลีก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

การกระเจิงของเรย์ลีได้รับอิทธิพลจากความเข้มของแสงตกกระทบ ในทางกลับกัน การกระเจิงของบริลลูอินที่ถูกกระตุ้นและการกระเจิงของรามานที่ถูกกระตุ้นนั้นเกิดขึ้นเมื่อความหนาแน่นของพลังงานแสงเกินค่าที่สูง และเกิดจากปฏิกิริยาระหว่างแสงกับตัวกลาง

การสูญเสียเพิ่มเติม

การสูญเสียเพิ่มเติม (หรือการสูญเสียการใช้งาน) คือการสูญเสียที่เกิดจากแหล่งภายนอก เช่น การสูญเสียที่เกิดจากการบิดของเส้นใยหรือแรงกดด้านข้างระหว่างการก่อสร้าง การติดตั้ง และการทำงาน ซึ่งส่งผลให้เกิดการดัดงอแบบมาโคร-และการดัดงอแบบไมโคร-ของเส้นใย

สาเหตุของการสูญเสียเส้นใยสรุปได้ดังรูป:

ลักษณะการกระจายตัวของเส้นใยนำแสง

ในวิชาฟิสิกส์ การกระจายตัวหมายถึงปรากฏการณ์ที่แสงสีต่างๆ กระจายตัวหลังจากผ่านตัวกลางโปร่งใส ลำแสงสีขาวแบ่งออกเป็นแถบสีเจ็ด-หลังจากผ่านปริซึม เนื่องจากกระจกมีดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกันสำหรับสีที่ต่างกัน (ความถี่ต่างกันหรือความยาวคลื่นต่างกัน) ยิ่งความยาวคลื่นยาว (หรือความถี่ยิ่งต่ำ) ดัชนีการหักเหของกระจกก็จะยิ่งต่ำลง ยิ่งความยาวคลื่นสั้น (หรือความถี่ยิ่งสูง) ดัชนีการหักเหของแสงก็จะยิ่งสูงขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง ดัชนีการหักเหของแก้วเป็นฟังก์ชันของความถี่ (หรือความยาวคลื่น) ของคลื่นแสง เมื่อแสงสีขาวที่ประกอบด้วยสีต่างกันตกกระทบในมุมเดียวกัน θ ตามกฎแห่งการหักเหของแสง (n=sinθ/n²) สีของแสงที่ต่างกันจะมีมุมการหักเหที่แตกต่างกันเนื่องจากค่า n² ที่แตกต่างกัน ดังนั้นการแยกสีของแสงที่ต่างกัน ส่งผลให้เกิดการกระจายตัว เนื่องจาก n=c/n (โดยที่ c คือความเร็วแสง c=3 × 10⁻⁶ m/s) จึงชัดเจนว่าแสงสีต่างๆ เดินทางด้วยความเร็วต่างกันภายในกระจก

ในทฤษฎีการแพร่กระจายของใยแก้วนำแสง ความหมายของคำว่า "การกระจายตัว" ได้กว้างขึ้น ในเส้นใยนำแสง สัญญาณจะถูกส่งและส่งผ่านคลื่นแสงในโหมดหรือความถี่ต่างๆ มากมาย เมื่อสัญญาณไปถึงสถานีปลายทาง โหมดหรือความถี่ต่างๆ ของคลื่นแสงจะประสบกับความล่าช้าในการส่งสัญญาณที่แตกต่างกัน ส่งผลให้สัญญาณผิดเพี้ยน ปรากฏการณ์นี้เรียกรวมกันว่าการกระจายตัว สำหรับสัญญาณดิจิทัล การกระจายตัวจะทำให้พัลส์กว้างขึ้นหลังจากการแพร่กระจายผ่านไฟเบอร์เป็นระยะทางหนึ่ง ในกรณีที่รุนแรง พัลส์ที่ต่อเนื่องกันจะทับซ้อนกัน ทำให้เกิดการรบกวนระหว่างสัญลักษณ์ ดังนั้นการกระจายตัวจะกำหนดแบนด์วิธการส่งข้อมูลของใยแก้วนำแสงและจำกัดอัตราการส่งข้อมูลของระบบหรือระยะห่างของรีพีทเตอร์ การกระจายตัวและแบนด์วิธเป็นคุณลักษณะเดียวกันของเส้นใยนำแสงที่อธิบายจากมุมมองที่ต่างกัน

ขึ้นอยู่กับสาเหตุของการกระจายตัว การกระจายตัวของใยแก้วนำแสงส่วนใหญ่แบ่งออกเป็น: การกระจายตัวแบบโมดอล การกระจายตัวของวัสดุ การกระจายตัวของท่อนำคลื่น และการกระจายตัวของโหมดโพลาไรเซชัน ซึ่งจะแนะนำด้านล่าง

การกระจายตัวของโหมด

โดยทั่วไปการกระจายตัวของโมดัลจะมีอยู่ในไฟเบอร์มัลติโหมด เนื่องจากโหมดหลายโหมดอยู่ร่วมกันในมัลติโหมดไฟเบอร์ และความเร็วการแพร่กระจายกลุ่มของโหมดที่แตกต่างกันตามแกนไฟเบอร์นั้นแตกต่างกัน จึงจะมาถึงเทอร์มินัลในเวลาที่ต่างกันอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ส่งผลให้เกิดความแตกต่างในการหน่วงเวลาและทำให้เกิดการกระจายตัวแบบ intermodal ซึ่งส่งผลให้ความกว้างของพัลส์กว้างขึ้น การขยายพัลส์เนื่องจากการกระจายแบบโมดอลแสดงในรูปที่ 2-10 สำหรับไฟเบอร์โหมดเดี่ยว-ในอุดมคติ เนื่องจากมีการส่งเพียงโหมดเดียว (โหมดพื้นฐาน - โหมด LP หรือ HE) จึงไม่มีการกระจายแบบโมดัล แต่มีการกระจายของโหมดโพลาไรเซชันอยู่

ตอนนี้ เราประมาณการกระจายตัวของโมดัลสูงสุดของสเต็ป-ไฟเบอร์มัลติโหมดดัชนี การกระจายตัวแบบโมดอลของไฟเบอร์มัลติโหมดดัชนีขั้น-จะแสดงในรูปที่ 2-11 ในสเต็ป-ดัชนีมัลติโหมดไฟเบอร์ รังสีที่เร็วและช้าที่สุด 2 ดวงคือรังสี 1 ที่แพร่กระจายไปตามแกน และรังสี 2 ที่ตกกระทบที่มุมวิกฤต 0 องศา ตามลำดับ ดังนั้น การกระจายตัวของโหมดสูงสุดในมัลติโหมดไฟเบอร์แบบดัชนีขั้นตอนคือความแตกต่างของเวลาระหว่างเวลาที่เรย์ 2 (Tmax) ใช้กับเวลาที่รังสี 1 (Tmin) ใช้เพื่อไปถึงเทอร์มินัล ΔT_{มิกซ์}: ΔT_{มิกซ์} = T_{สูงสุด} / T_นาที

ตามทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต ในเส้นใยนำแสงที่มีความยาว L ให้ความเร็วของรังสีแสง 1 และ 2 ตามแนวแกนเป็น c/n และ sinθ·c/n ตามลำดับ ดังนั้นการกระจายตัวของใยแก้วนำแสงแบบโมดอลจึง...

ในเส้นใยนำแสงที่มีการชี้นำอย่างอ่อน (เส้นใยโดยที่ n_iและ n_iต่างกันน้อยมาก), A=(n_i- น)/น ถ้า Δ=1%, n_i= 1.5 สำหรับเส้นใยนำแสงซิลิกา และความยาวของเส้นใยคือ 1 กม. ดังนั้นการกระจายตัวระหว่างโมดัลสูงสุด ΔT_mสามารถคำนวณได้เป็น 50 ns ดังนั้นจึงเห็นได้ชัดว่ายิ่งความยาวของเส้นใยยาวเท่าใด การกระจายตัวของ intermodal ก็จะยิ่งรุนแรงมากขึ้นเท่านั้น และยิ่งความแตกต่างของดัชนีการหักเหสัมพัทธ์ Δ มากเท่าใด การกระจายตัวระหว่างโมดอลก็จะยิ่งรุนแรงมากขึ้นเท่านั้น

การกระจายตัวของวัสดุ

เนื่องจากดัชนีการหักเหของวัสดุใยแก้วนำแสงแปรผันตามความยาวคลื่นของแสง ความเร็วกลุ่มของความถี่ที่แตกต่างกันของสัญญาณแสงจึงแตกต่างกัน ทำให้เกิดความแตกต่างในการหน่วงเวลาการส่งสัญญาณ ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการกระจายตัวของวัสดุ การกระจายตัวนี้ขึ้นอยู่กับลักษณะความยาวคลื่นของดัชนีการหักเหของวัสดุใยแก้วนำแสงและความกว้างของแหล่งกำเนิดแสง

ในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงแบบดิจิทัล แสงเอาท์พุตจากแหล่งกำเนิดแสงจริงไม่ใช่ความยาวคลื่นเดียว แต่มีเส้นสเปกตรัมที่แน่นอน เนื่องจากดัชนีการหักเหของวัสดุเส้นใยขึ้นอยู่กับฟังก์ชันของความยาวคลื่น ความเร็วการแพร่กระจายของแสงที่อยู่ภายใน (แล)=c/n(แล) จึงแปรผันตามความยาวคลื่นด้วย เมื่อพัลส์แสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงที่มีเส้นสเปกตรัมบางเส้นตกกระทบบนไฟเบอร์โหมดเดี่ยว-และแพร่กระจาย พัลส์แสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันจะมีความเร็วการแพร่กระจายที่แตกต่างกัน ส่งผลให้มีการหน่วงเวลาต่างกันเมื่อไปถึงจุดสิ้นสุดเอาท์พุต ซึ่งส่งผลให้พัลส์กว้างขึ้น นี่คือกลไกการกระจายตัวของวัสดุ

หากทราบว่าความเร็วของกลุ่มคือ u=da/dB ดังนั้นความล่าช้าของกลุ่มต่อความยาวหน่วยคือ T=1/v,=n,/c ดังนั้นการกระจายตัวของวัสดุของใยแก้วนำแสงที่มีความยาว L คือ...

ในสูตร c คือความเร็วแสงในสุญญากาศ แลมคือดัชนีการหักเหของแกนไฟเบอร์ แลมบ์คือความยาวคลื่นของแสง และ Aแล คือ ความกว้างเส้นสเปกตรัมของแหล่งกำเนิดแสง โดยที่ Aแล=แล - แลมบ์ แสดงถึงช่วงความยาวคลื่นที่มีศูนย์กลางที่ A โดยทั่วไป ค่าสัมประสิทธิ์การกระจายตัวจะใช้ในการวัดขนาดของการกระจายตัว ค่าสัมประสิทธิ์การกระจาย D (หน่วย: ps/(nm·km)) ถูกกำหนดเป็น...

จะเห็นได้ว่าค่าสัมประสิทธิ์การกระจายคือการกระจายตัวที่เกิดจากแหล่งกำเนิดแสงที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมเป็นหน่วยที่แพร่กระจายในความยาวหน่วยของใยแก้วนำแสง หากทราบค่าสัมประสิทธิ์การกระจายตัวของวัสดุของใยแก้วนำแสง จะสามารถคำนวณการกระจายตัวของวัสดุได้อย่างง่ายดายโดยใช้ ΔTm=DmAAL

ตัวอย่าง 2-1: สมมติว่าค่าสัมประสิทธิ์การกระจายตัวของวัสดุสูงสุดของเส้นใยนำแสงที่ความยาวคลื่น 1.31 ม. คือ D=3.5ps/(nm·km) หากใช้เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นตรงกลาง 1.31µm เพื่อสร้างแสงที่ส่งผ่านด้วยเส้นสเปกตรัม แล=4 นาโนเมตร ให้คำนวณการกระจายตัวของวัสดุที่เกิดจากแสงนี้แพร่กระจายในเส้นใยนำแสงความยาว 1 กม.

วิธีแก้ไข: สามารถคำนวณการกระจายตัวของวัสดุของใยแก้วนำแสงได้อย่างง่ายดายดังนี้:

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

ดังที่เห็นในตัวอย่างที่ 2-1 การกระจายตัวของวัสดุค่อนข้างน้อย แม้จะเล็กกว่าการกระจายตัวแบบโมดัลของไฟเบอร์มัลติโหมด step-index ก็ตาม ควรสังเกตว่าค่าสัมประสิทธิ์การกระจายตัวของใยแก้วนำแสง (ไม่ใช่แค่ค่าสัมประสิทธิ์การกระจายตัวของวัสดุ) อาจเป็นค่าบวกหรือลบก็ได้ ในใยแก้วนำแสง การหน่วงกลุ่ม (A) จะเพิ่มขึ้นตามความยาวคลื่นพาหะ กล่าวอีกนัยหนึ่ง คลื่นแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าจะแพร่กระจายเร็วขึ้น ในกรณีนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การกระจายตัวจะเป็นลบ เรียกว่า การกระจายตัวเชิงลบ ในทางกลับกัน คลื่นแสงความยาวคลื่นที่ยาวกว่าจะแพร่กระจายได้ช้ากว่าคลื่นแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า

ในที่นี้สัมประสิทธิ์การกระจายตัวเป็นค่าบวก เรียกว่าการกระจายตัวเชิงบวก เห็นได้ชัดว่าหากเส้นใยแสงสองเส้นที่มีสัญญาณสัมประสิทธิ์การกระจายตัวตรงกันข้ามถูกหลอมรวมเข้าด้วยกัน การกระจายตัวของวัสดุจะดีขึ้น

การกระจายตัวของท่อนำคลื่น

การกระจายตัวของท่อนำคลื่น ΔTw หมายถึงโหมดนำทางเฉพาะในใยแก้วนำแสง ความยาวคลื่นที่ต่างกันมีค่าคงที่เฟสต่างกัน ส่งผลให้ความเร็วของกลุ่มต่างกันและทำให้เกิดการกระจายตัว การกระจายตัวของท่อนำคลื่นยังเกี่ยวข้องกับปัจจัยต่างๆ เช่น พารามิเตอร์โครงสร้างของใยแก้วนำแสงและความแตกต่างของดัชนีการหักเหสัมพัทธ์ระหว่างแกนกลางและการหุ้ม ดังนั้นจึงเรียกว่าการกระจายตัวของโครงสร้าง

การกระจายตัวของโหมดโพลาไรซ์

การกระจายตัวของโหมดโพลาไรเซชันคือการกระจายประเภทหนึ่งที่ไม่ซ้ำกันในไฟเบอร์ออปติกโหมดเดี่ยว- เนื่องจากจริงๆ แล้วเส้นใยโหมดเดี่ยว-ส่งโหมดโพลาไรเซชันที่ตั้งฉากซึ่งกันและกันสองโหมด สนามไฟฟ้าของพวกมันจึงมีโพลาไรซ์ตามทิศทาง x และ y ตามลำดับ

แบนด์วิธไฟเบอร์ออปติก

การกระจายตัวและแบนด์วิธของเส้นใยแก้วนำแสงมีลักษณะที่เหมือนกัน ในความเป็นจริง การกระจายตัวอธิบายถึงขอบเขตที่พัลส์แสงขยายออกไปตามแกนเวลาหลังการส่งผ่าน เป็นคำอธิบายคุณลักษณะของไฟเบอร์ในโดเมนเวลา ในทางกลับกัน แบนด์วิดท์จะอธิบายคุณลักษณะนี้ในโดเมนความถี่ ในโดเมนความถี่ สำหรับสัญญาณมอดูเลต ไฟเบอร์ออปติกถือได้ว่าเป็นตัวกรองความถี่ต่ำ- เมื่อส่วนประกอบความถี่สูง-ของสัญญาณมอดูเลตผ่านเข้าไป ส่วนประกอบเหล่านั้นจะถูกลดทอนอย่างรุนแรง นั่นคือถ้าแอมพลิจูดของสัญญาณอินพุต (สัญญาณมอดูเลต) ยังคงคงที่ แต่มีการเปลี่ยนแปลงความถี่เท่านั้น แอมพลิจูดของสัญญาณเอาท์พุตหลังจากการส่งสัญญาณผ่านไฟเบอร์จะเปลี่ยนไปตามความถี่ของสัญญาณมอดูเลต (สัญญาณอินพุต) TTU-T แนะนำให้ระบุว่าแบนด์วิดท์ของใยแก้วนำแสงคือ [แบนด์วิดท์ต่อกิโลเมตร]