Optikai szálas eszköz - optikai szál - optika - enciklopédia - digitális hálózatok enciklopédiája

A fényvezető az ábrán látható. A fényvezető belső része a mag (mag, néha "mag"), a külső - az optikai szálhéj, vagy egyszerűen a burkolat. A fény terjedésétől függően egymódú és multimódus szálakat különböztetünk meg. A multimódusú rost (MMF) igen nagy mag átmérője 50 vagy 62,5 μm, hüvely átmérője 125 μm vagy 100 μm 140 μm héjjal. Az egyfázisú szál (SMF) 8 vagy 9,5 μm-es magátmérője azonos héjátmérővel rendelkezik. Külső oldalán a köpeny védőbevonat (vastagsága) 60 μm, védőbevonatnak is nevezik. Egy fényvezető (a héjban lévő magot) védő bevonattal nevezik optikai szálnak. Az optikai szálakat elsősorban a mag és a héj átmérője jellemzi, ezek a méretek mikrométerben kerülnek rögzítésre. a frakcióban: 50/125, 62,5 / 125, 100/140, 8/125, 9,5 / 125 mikron. A rost (külső bevonat) külső átmérője szintén szabványosított, telekommunikációban leginkább a 250 μm átmérőjű rostokat használják. Pufferrel bevont rostokat alkalmaznak, vagy egyszerűen 900 μm átmérőjű butlerrel, az elsődleges 250 μm-es bevonaton.
Vegye figyelembe a fény szaporodását a szálban. Annak érdekében, hogy a gerenda a fényvezető mentén terjedjen, a tengelyhez viszonyítva ne legyen nagyobb, mint a kritikus szál, vagyis a képzeletbeli bemeneti kúpba való belépés. Ennek a kritikus szögnek a szinuszát az NA szál numerikus nyílásának nevezik, és a rétegek abszolút refraktív indexei alapján határozzák meg,

A multimódusú rostokban az nc mag és a shell shell törésmutatói csak 1-1,5% -kal különböznek (például nc: nob = 1.515, 1.50). A nyílás NA = 0,2-0,3, és a szög, amelynél a gerenda beléphet a fényvezetőbe, nem haladja meg a 12-18 ° -ot a tengelytől. Egymódú rostokban a törésmutatók még kisebbek (nc, nob = 1.505, 1.50), a rekesz NA = 0.122 és a szög nem haladja meg a tengelytől 7 fokot. Minél nagyobb a rekesznyílás, annál könnyebb egy gerendát bevezetni a szálba, ugyanakkor a mód diszperzió növekedni fog és a sávszélesség csökken (lásd alább). A numerikus nyílás az optikai csepp-fényvezetők, sugárforrások és vevőkészülékek összes elemét jellemzi. Az energiaveszteségek minimalizálása érdekében a csatlakoztatott elemek nyílásait egymáshoz kell illeszteni.

Szigorúan egy optikai szálban lévő jel terjedését Maxwell egyenletei írják le. A Maxwell-egyenlet lehetséges megoldásai különböző fényviszonyoknak felelnek meg. A legtöbb esetben a geometriai optika közelítését használhatjuk. Ha egy jel geometriai optika helyzetéből kiindulva a különböző szögekbe bejutó fénysugarak különböző pályák mentén terjednek. A nagyobb üzemmódok nagyobb sugarakkal érkezõ sugaraknak felelnek meg - nagyobb számú belső reflexiót fognak elérni az optikai szálon, és hosszabb úton haladnak. Az adott fényvezetési módok számának mértéke a tervezéstől, a törésmutatóktól, a mag és a burkolat átmérőitől és a hullámhossztól függ.

A szálon áthaladó fényimpulzus a diszperziós jelenség miatt megváltoztatja alakját - "elterjed". A diszperzió háromféle: mód, molekuláris és hullámvezető.

A multimódusú rostok modális diszperziója a különbözõ módú sugárzások által áthaladó útvonalak különbsége miatt merül fel. Ez a variancia a rostegység egységenkénti átmeneti idejének különbsége különböző módokon, a jellemző értékek 15-30 ns / km egy lépcsős profilú szál esetében. Csökkenthető a módok számának csökkentésével - a mag átmérőjének csökkentésével (a határértéket az egy üzemmódba). Ezenkívül ezt a diszperziót csökkentik a törésmutató gradiensprofiljának alkalmazásával. Amint az az ábrán látható, a törésmutatóban egy multimódusú szálban lévő gradiens változással rendelkező mag alkalmazása lehetővé teszi az üzemmódok számának csökkentését és következésképpen a kimeneti impulzus torzulását. Ezen túlmenően a hosszú pályák mentén közlekedő sugarak az úttesten jelentős mértékben átjutnak az alacsonyabb sűrűségű közegen keresztül - sebességük nagyobb, és szinte egyidejűleg a rövidebb pályák sugaraival jönnek.

A spektrális diszperziót, amelyet molekuláris vagy anyagnak is neveznek, az okozza, hogy különböző hosszúságú hullámok ugyanazon közegben propagálódnak különböző arányokban, ami a molekulaszerkezet sajátosságainak köszönhető. Mivel a forrás több hullámot bocsát ki, és a spektrum (bár keskeny), különböző hullámhosszú sugárzások nem érik el egyszerre a vevőt. A 850 nm-es tartományban a rövidebb hullámhosszak lassabban mozognak a szál mentén, mint a hosszabbak. Az 1550 nm-es tartományban a helyzet fordított. Körülbelül 1300 nm-es tartományban a diszperzió nulla. A molekuláris diszperzió a különbözõ hullámhosszú sugárzási idõk közötti átmeneti idõ különbségét jelenti, amely a hullámok hosszának különbsége és a szál hossza (mérési egység - ps / nm / km). A molekuláris diszperzió elengedhetetlen az egymódú rostokhoz (multimódusú, annak hatása alig észrevehető). Ennek hatására csökkenthető a forrás sugárzási szélességének szélessége és az optimális hullámhossz kiválasztása.

A hullámvezető diszperzió, amely releváns egymódusú szál esetén, a mag és a burkolat mentén terjedő hullámterjedési sebességek közötti különbségnek tudható be.

A single-mode fiber, amellett, hogy lépésről-index, használt összetettebb: W-alakú, kétfokozatú kettős öltözött depressirovannoy és háromszög - leghatékonyabban elnyomja parazita módon. Ez csökkenti a diszperzió hatását az átvitt jel formájára, amelyre az ilyen szálat True wave-nak hívják - az igazi hullám.

A transzmissziós módot - egyfunkciós vagy multimódusos - a szálon (befecskendezés) belépő fény útja, a szálterv és a forrás hullámhossza határozza meg. A lámpa bemenetét az egy üzemmódú működéshez egy keskeny sugárral kell végrehajtani, pontosan a szálas tengely mentén, itt csak lézer használható forrásként. Multimodális átvitelhez egy szélesebb sugárzási mintával rendelkező olcsóbb LED-emitter is használható. Egyetlen üzemmódban történő átvitel csak bizonyos hullámhossznál nagyobb hullámhosszon lehetséges. Ezt a küszöbérték hullámhosszát a szálszerkezet (magátmérő) határozza meg. A 1300 nm hullámhosszúságú egymódú adatátviteli szálak esetében a küszöbérték hullámhossza körülbelül 1200 μm. Következésképpen egy ilyen szálat 850 nm-en, egy módú átvitel lehetetlen. Egymódú átvitel esetén a sugár a héja belső részének mentén kerül továbbításra, így az áttetszőség, mint a mag átlátszósága, befolyásolja a jel csillapítását. Itt a fénysugarat a divat spotának átmérője jellemzi - a szál keresztmetszete, amelyen át terjed (nagyobb a magnál). A többmagos szálakban a fény nem halad át a héjon, így az átláthatósága elhanyagolható.

Ha egy lézerforrás többmagos optikai szálon működik, bizonyos körülmények között a közepes inhomogenitással a sugár különböző módokra osztható, amelyek egymástól erősen különböző pályákon terjednek. Ez a különbözeti üzemmód késleltetési hatása, a DMD (differenciálművi késleltetés), a vevőfelületen lévő jel jitterét eredményezi, amelynek mértéke függ a szál hosszúságától. A DMD akcióra gyakorolt ​​hatása hasonlít az üzemmód diszperzióra. A DMD hatása a törésmutató gradiens profiljával rendelkező rostokra gyengülhet, ha a gerenda pontosan nem kerül bevezetésre a mag középpontjában, hanem 10-15 μm tengelyirányú eltolással. Az elmozdulást vagy az adóban vagy az MCP speciális adapterkábelében (médiakondicionáló patch-cord) hajtják végre.

Az m-mode szál esetében az egyensúlyi mód eloszlás (PPM) fogalma az EMD (egyensúlyi mód eloszlás) kifejezésnek felel meg. Az energiaátvitel hatékonysága különböző módokon eltérő - a nagymértékű veszteségek nagyobbak, mint a veszteségek alacsony üzemmódokban. A valódi szálakban, a kanyarok és az inhomogenitás miatt, könnyű utazásként a fény átmegy az egyik módról a másikra. Egy túlzsúfolt szálban a nem hatékony módok is részt vesznek az energiaátadásban. Csak alacsony rendű módokat használnak egy nemszálas szálban. Kezdetben az üzemmód eloszlását a fényforrás határozza meg: a LED általában túláramolja a szálat, a lézer nem tölti fel a szálat. Amint elmozdulsz a forrástól, amely túlcsordul a szálon, elindul az egyensúlyi mód eloszlás (PPM) állapota, és nincs további átmenet. Érdekes, hogy az egyensúly megindulása előtt a vonalcsillapítás arányos a rost hosszával, és a megjelenés után arányos a hosszúság négyzetgyökével. Az üvegszálaknál a PPM a kilométerben mért távolságból kerül forgalomba műanyag szálas mérőkhöz. A rosttöltet mértéke befolyásolja a jellemzőinek mérését, valamint az ízület által bevezetett veszteségek mérését.

A PPM körülmények között bekövetkező kapcsolódás mérési veszteségének mérése fontosabb lesz, de tükrözi a csukló által vezetett tényleges csillapítást egy hosszú sorban. A PPM eredményeket rövid idő alatt úgy érhetjük el, hogy a szálat 5 résszel a rúd köré csomagoljuk, amelynek átmérője megegyezik a kétszeres minimálisan megengedett (adott szálas) hajlítási sugárral.

Az optikai jel teljesítményét logaritmikus egységekben mértük dBm (decibel-milliwatt): az 1 mW teljesítményű jel 0 dBm-es szintnek felel meg. Néha egy dBμ mértékegységet használnak: az 1 μW teljesítményű jel 0 dBμ szintnek felel meg.

Egy jel veszteségét (veszteségét) az elemben a kimeneti teljesítmény Pout és a bemeneti tű közötti arány alapján határoztuk meg

A logaritmus előtti mínusz jele lehetővé teszi a csillapítás pozitív mennyiségekkel való kifejezését. Ezután a nagyobb csillapítás a nagyobb jelvesztéseknek felel meg, ami alkalmas a számításokhoz.

Amint a gerenda elterjed, a csillapítás a szóródás és a felszívódás miatt következik be. A felszívódás - hőenergiára való átalakulás - a szennyeződések impregnálásával történik; annál tisztább az üveg, annál kisebb a veszteség. A szétszóródás - a fényvezetőből származó sugarak kibocsátása - a szálak könyökeiben fordul elő, amikor a magasabb rendű sugarak elhagyják a rostot A szétszóródás mind mikrobendőkben, mind más felületi határhibákban fordul elő.

Annak jelzésére, a csillapítás egységnyi hosszúságú szál (dB / km), és a megszerzésére a csillapítási értékek az adott vonalcsillapítás egységnyi hossza szorozva a hossza. Csillapítás egyre csökken a növekvő hullámhossz, de a függőség nem monoton, ami látható az alábbi táblázatban látható Meg ablak átlátszósága multimódusú szál régiókban hullámhosszú 850 um és 1300 um. Az egymódusú szálak esetében az ablakok körülbelül 1300 és 1500-1600 mikron közötti tartományban vannak. Természetesen a kommunikáció hatékonyságának javítása érdekében a berendezést az egyik ablak hullámhosszához hangolják. Az egymódusú rostot 1550 és 1300 nm hullámhosszon használják, míg a tipikus lineáris csillapítás 0,25 és 0,35 dB / km. A multimodális rostot 1300 és 850 nm hullámhosszon használják, ahol a csillapítás 0,75 és 2,7 dB / km.

Az optikai átvitel során a legösszetettebb feladatok kapcsolódnak a szálak végéhez és illesztéséhez. Ez a fényimpulzusok generálása és azok bevitele a szálakba, a jelek vétele és felismerése, valamint a szálszakaszok "egyszerű" összekapcsolása egymással. A nyaláb incidens a szál végén, hogy nem tartalmazza a légy: ez részben visszaverődik részét áthaladó energia által szórt hibák (érdessége) egy végfelület egy részének „hiányzik” által kúp fény fogadására. Ugyanez történik a rostgerenda kimenetén is. Ennek eredményeként minden egyes közös teszi jel tompított veszteség (tipikus érték 0,1-1 dB), és a visszavert jelszint között lehet 15-60 dB. A veszteségek és gondolatok csökkentése érdekében különböző konstruktív trükköket használnak. Tekintsük a fő bajokat a csomópontokon.

Amikor a fénysugár áthalad két médium határán, amelyek különböznek a törésmutatóban, részleges visszaverődés történik. Ez a reflexió, amit Fresnelnek neveznek, nagyobb, annál több a törésmutató (nem számít, hogy melyik irányban). Üveg-levegő pár esetében a normál előfordulású Fresnel reflexiós veszteség 0,17 dB. Így a két szálnak a legcsekélyebb légrésszel való összekötése esetén a veszteség ezen a reflexióban önmagában 0,34 dB (üveg-levegős üveg) lesz. A sokomodopom módban, ha a fény a felületre esik, nem merőleges, a veszteségek nagyobbak lesznek. Ennek a visszaverődésnek a kiküszöbölésére egy csepp gélt vezetnek be a szálak közötti résbe, amely egybeesik az üveggel a törésmutató tekintetében. A levehető csatlakozásoknál a visszirányú visszaverődést más módon csökkentik.

A csatlakozások veszteségei maguk a Lossc csillapításnak és a csatlakoztatott elemek átmérõinek és nyílásainak következetlenségének esetleges veszteségei. Az átmérő eltérésének vesztesége akkor következik be, ha a fogadóelem (D2) átmérője kisebb, mint az átviteli elem (D1) átmérője. majd

A képlet által kiszámított veszteségek pozitív értéket mutatnak. D2> = D1 esetén ezek a veszteségek hiányoznak. Többmagos szálak esetén a magok átmérője ebben a képletben, egy módú szálaknál, az üzemmód-spot átmérőjénél.

A numerikus nyílások eltéréséből származó veszteségek akkor jelentkeznek, amikor a vevőelem (NA2) nyílása kisebb, mint az átviteli elem (NA1) átmérője. majd

NA2> = NA1 esetén ezek a veszteségek hiányoznak.

Mivel a valódi szálak nem rendelkeznek ideálisan kör alakú, koncentrikus keresztmetszetű alakkal, amikor a rostokat lehorgonyozzák, a veszteségek az összekapcsolandó szálak nem kerekségéből és excentricitásából származnak. Ezenkívül a veszteségeket a szálas tengelyek szögletes alakváltozása is okozza. Mindezek a hibák természetesen csak átmeneti veszteségeket növelhetnek. Az alábbi ábrán, amely bemutatja ezeket a veszteségeket, a fényenergia átvitelének tényleges területei (és kúpja) árnyékban vannak - a veszteségek nagyobbak, annál kisebbek ezek a területek. Ha az összekötendő szálak forgácsai között légrés van, további csillapítást vezetnek be, ami majdnem lineárisan növekszik, növeli a hézagot. Ezt a jelenséget csillapítókban használják. Minél nagyobb a szálak nyílása, annál erősebb ez a csillapítás a szabad tér növelésével. További veszteségek keletkeznek a zsetonok síkjainak nem párhuzamosságából, valamint a zsetonok durvaságából.

Furcsa módon a szál nemcsak csillapítást, hanem a jel erősítését is lehetővé teszi. Egy erbiummal adalékolt optikai szál alapján lehetséges egy tisztán optikai jelerősítő létrehozása. Erősítő EDFA (erbiummal adalékolt optikai szálat erősítő) növeli a teljesítményszint áthaladó optikai jel egy 1550 nm hullámhosszon pas 30-40 dB az optikai energiát a szivattyú lézer hullámhossza 980 nm. Az ilyen erősítőt könnyebben megvalósíthatjuk, mint egy elektronikus erősítő vevőkészülékkel és adóval. Ráadásul, mivel egy tisztán optikai jelet erősít, nincs sebességprobléma. Erbium erősítőket használnak hosszú sorokban.