מאפיינים של סיבים אופטיים

לְאַחַראותות אופטיים נעיםמרחק מסוים דרך סיב אופטי, הם עוברים הנחתה ועיוות, מה שגורם לפולסי האות האופטיים של הקלט והמוצא להשתנות. זה מתבטא כהנחת משרעת והרחבת צורות גל של הפולסים האופטיים. הסיבה לתופעה זו היא נוכחות של אובדן ופיזור בתוך הסיב האופטי. אובדן ופיזור הם הפרמטרים החשובים ביותר המתארים את מאפייני השידור של סיבים אופטיים, המגבילים את מרחק השידור והקיבולת של המערכת. חלק זה דן בעיקר במנגנונים ובמאפיינים של אובדן ופיזור סיבים אופטיים.

★מאפיינים של סיבים אופטיים (חלק 2)

מאפייני אובדן של סיב אופטי

אובדן סיבים אופטיים מוביל להנחתת האות, ומכאן שאיבוד סיבים אופטיים נקרא גם הנחתה. ככל שהמרחק גדל בסיב אופטי, עוצמת אות האור יורדת, באופן הבא: P(z)=P(0) /10 - (4) כאשר P(z) הוא ההספק האופטי במרחק השידור z; P(0) הוא קלט הכוח האופטי לסיב האופטי, כלומר, ההספק האופטי המוזרק ב-z=0; (λ) הוא מקדם הנחתה של סיב אופטי באורך גל ב-dB/km; ו-L הוא מרחק השידור.

כאשר t=L, מקדם הנחתת הסיבים מוגדר כ

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

כאשר אורך הגל λ הוא dB, אם מקדם הנחתה נמדד ביחידות של dB לקילומטר, אז A(λ) (היחידה היא dB) מבוטא כ:

A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]

תקשורת סיבים אופטיים התפתחה לצד שיפורים מתמשכים בייצור סיבים אופטיים, במיוחד הפחתת אובדן סיבים. אובדן סיבים הוא אחד הגורמים העיקריים הקובעים את מרחק הממסר במערכת תקשורת סיבים אופטיים. גורמים רבים תורמים לאובדן סיבים, בעיקר אובדן ספיגה, אובדן פיזור ואובדן נוסף, והמנגנונים העומדים בבסיס הפסדים אלו מורכבים למדי. הדיון הבא משתמש בסיב אופטי סיליקה כדוגמה כדי להמחיש את הסיבות השונות לאובדן.

אובדן ספיגה

אובדן ספיגה כולל בעיקר ספיגה פנימית, ספיגת טומאה (רדיקלי OH) וספיגת פגמים מבניים. ספיגה פנימית כוללת ספיגה אינפרא אדום ואולטרה סגול.

בליעת אינפרא אדום היא בליעת אנרגיית האור הנגרמת מתהודה מולקולרית כאשר אור עובר דרך זכוכית קוורץ המורכבת מ- SiO2. לדוגמה, שיאי הספיגה של Si-O הם ב-9.1 מיקרומטר, 12.5 מיקרומטר ו-21.3 מיקרומטר, ואובדן הספיגה של סיבים אופטיים הוא גבוה כמו 10 dB/km ב-9.1 מיקרומטר. ספיגת אולטרה סגול היא האנרגיה הנספגת כאשר אלקטרונים נרגשים למעבר לרמות אנרגיה גבוהות יותר על ידי גלי אור. ספיגה זו מתרחשת באזור האולטרה סגול ולכן נקראת בדרך כלל ספיגה אולטרה סגולה. חומרי זכוכית מכילים יוני מתכת מעבר כגון ברזל ונחושת, כמו גם יוני OH-. ספיגת טומאה היא האובדן הנגרם מקליטת אנרגיית האור על ידי צעדי אלקטרונים הנוצרים על ידי רעידות יונים תחת עירור גלי אור. לדוגמה, ב-1.39 מיקרומטר, ההנחתה היא 60 dB/km כאשר ריכוז יוני OH- הוא 1 × 10⁻⁶.

אובדן פיזור

אובדן פיזור הוא האובדן המקרין אנרגיית אור מתוך הסיב האופטי בצורה של פיזור. זה נגרם על ידי הצפיפות הלא-אחידה בתוך הסיב. הסוגים העיקריים של אובדן פיזור בסיבים אופטיים כוללים פיזור Rayleigh, פיזור Mie, פיזור Brillouin מגורה, פיזור Raman מגורה, פגמים מבניים נוספים ופיזור כיפוף ופיזור דליפה.

במהלך ייצור סיבים אופטיים, התנועה התרמית של מולקולות בזכוכית המותכת גורמת לתנודות בצפיפות ובמקדם השבירה בתוך המבנה שלה, מה שבתורו גורם לפיזור האור. פיזור הנגרם על ידי חלקיקים קטנים בהרבה מאורך הגל של האור נקרא פיזור ריילי; פיזור הנגרם על ידי חלקיקים בעלי אורך גל זהה לאור נקרא פיזור Mie.

פיזור ריילי הוא הגורם העיקרי לאובדן סיבים. פיזור ריילי מציג תכונה של פרופורציה ל-1/λ מאורך הגל הקצר, כלומר R=K/λ. קבוע המידתיות K קשור למבנה הזכוכית ולהרכבו. ככלל, ככל שטמפרטורת מעבר הזכוכית גבוהה יותר וככל שההרכב שלה מורכב יותר, כך גדל אובדן פיזור ריילי.

פיזור ריילי מושפע מעוצמת האור הנכנס. פיזור ברילואין מומר ופיזור רמאן מגורה, לעומת זאת, מתרחשים כאשר צפיפות אנרגיית האור עולה על ערך גבוה מסוים ומופקות על ידי האינטראקציה בין האור למדיום.

הפסדים נוספים

הפסדים נוספים (או הפסדי יישומים) הם הפסדים שמקורם במקורות חיצוניים, כגון אלו הנגרמים על ידי פיתול סיבים או לחץ רוחבי במהלך בנייה, התקנה והפעלה, וכתוצאה מכך-כיפוף מאקרו וכיפוף-מיקרו של הסיב.

הגורמים לאובדן סיבים מסוכמים באיור:

מאפייני פיזור של סיבים אופטיים

בפיזיקה, פיזור מתייחס לתופעה שבה אור בצבעים שונים מתפזר לאחר שעבר בתווך שקוף. אלומת אור לבן מפוצלת לרצועה של שבעה-צבעים לאחר שהיא עוברת דרך פריזמה. הסיבה לכך היא שלזכוכית יש מדדי שבירה שונים עבור צבעים שונים (תדרים שונים או אורכי גל שונים). ככל שאורך הגל ארוך יותר (או ככל שהתדר נמוך יותר), כך מקדם השבירה של הזכוכית נמוך יותר; ככל שאורך הגל קצר יותר (או ככל שהתדר גבוה יותר), כך מקדם השבירה גבוה יותר. במילים אחרות, מקדם השבירה של זכוכית הוא פונקציה של התדירות (או אורך הגל) של גל האור. כאשר אור לבן המורכב מצבעים שונים נופל באותה זווית θ, לפי חוק השבירה (n=sinθ/n²), לצבעים שונים של אור יהיו זוויות שבירה שונות עקב ערכי n² השונים, ובכך להפריד בין צבעי האור השונים, וכתוצאה מכך לפיזור. מכיוון ש-n=c/n (כאשר c היא מהירות האור, c=3 × 10⁻⁶ m/s), ברור שצבעים שונים של אור נעים במהירויות שונות בתוך הזכוכית.

בתורת התפשטות סיבים אופטיים, משמעות המונח "פיזור" הורחבה. בסיבים אופטיים, אותות נישאים ומשודרים על ידי גלי אור בהרבה מצבים או תדרים שונים. כאשר האות מגיע למסוף, המצבים או התדרים השונים של גלי האור חווים הבדלי עיכוב שידור, מה שגורם לעיוות האות. תופעה זו נקראת ביחד פיזור. עבור אותות דיגיטליים, פיזור גורם להרחבת הדופק לאחר התפשטות מרחק מסוים דרך הסיב. במקרים חמורים, פולסים עוקבים יחפפו, ויצרו הפרעה בין-סמלית. לכן, הפיזור קובע את רוחב הפס השידור של הסיב האופטי ומגביל את קצב השידור של המערכת או את מרחק החזרה. פיזור ורוחב פס הם אותו מאפיין של סיבים אופטיים המתוארים מנקודות מבט שונות.

בהתבסס על הגורמים לפיזור, פיזור סיבים אופטיים מתחלק בעיקר ל: פיזור מודאלי, פיזור חומר, פיזור מוליך גל ופיזור מצב קיטוב, אשר יוצגו להלן.

פיזור מצבים

פיזור מודאלי קיים בדרך כלל בסיבים מולטי-מודים. מכיוון שמצבים מרובים מתקיימים במקביל בסיב רב-מצבי, ומהירויות ההתפשטות הקבוצתיות של מצבים שונים לאורך ציר הסיבים שונות, הם בהכרח יגיעו למסוף בזמנים שונים, וכתוצאה מכך הפרש השהיית זמן ויצירת פיזור בין-מודאלי, ובכך יגרום להרחבת רוחב הפולסים. הרחבת הדופק עקב פיזור מודאלי מוצגת באיור 2-10. עבור סיב חד-מודאלי-אידיאלי, מכיוון שרק מצב אחד (מצב יסוד - מצב LP או HE) משודר, אין פיזור מודאלי, אבל קיים פיזור מצב קיטוב.

כעת, אנו מעריכים את הפיזור המודאלי המקסימלי של סיב רב-מצבי אינדקס צעד-. הפיזור המודאלי של סיב רב-מצבי אינדקס צעד- מוצג באיור 2-11. בסיב רב-מודד של אינדקס-, שתי הקרניים המתפשטות המהירה והאיטית ביותר הן הקרן ① המתפשטת לאורך הציר והקרן ② הנכנסת בזווית קריטית של 0 מעלות, בהתאמה. לפיכך, פיזור המצבים המקסימלי בסיב רב-מצבי אינדקס צעד הוא הפרש הזמן בין הזמן שלוקח לקרן ② (Tmax) לבין הזמן שלוקח לקרן ① (Tmin) להגיע למסוף, ΔT_mux: ΔT_mux = T_{מקסימום} / T_דקה

לפי אופטיקה גיאומטרית, בסיב אופטי באורך L, תנו למהירויות של קרני האור ① ו-② לאורך הכיוון הצירי להיות c/n ו-sinθ·c/n, בהתאמה. לכן, הפיזור האופטי של הסיב האופטי הוא...

בסיבים אופטיים מונחים חלש (סיבים שבהם n_iו-n_iנבדלים מעט מאוד), A=(n_i- n)/n. אם Δ=1%, n_i= 1.5 עבור סיבים אופטיים סיליקה, ואורך הסיב הוא 1 ק"מ, ואז הפיזור הבין-מודאלי המקסימלי ΔT_mניתן לחשב כ-50 ns. לכן, ניכר שככל שאורך הסיבים ארוך יותר, כך הפיזור הבין-מודאלי חמור יותר; וככל שהפרש אינדקס השבירה היחסי Δ גדול יותר, כך הפיזור הבין-מודאלי חמור יותר.

פיזור חומר

מכיוון שמקדם השבירה של חומרי סיבים אופטיים משתנה עם אורך הגל של האור, מהירות הקבוצה של תדרים שונים של האות האופטי שונה, מה שגורם להפרש של עיכוב שידור, תופעה המכונה פיזור חומר. פיזור זה תלוי במאפייני אורך הגל של מקדם השבירה של חומר הסיבים האופטיים ורוחב הקו של מקור האור.

במערכות תקשורת סיבים אופטיים דיגיטליים, אור הפלט ממקור האור בפועל אינו אורך גל בודד אלא בעל רוחב קו ספקטרלי מסוים. מכיוון שמקדם השבירה של חומר הסיבים הוא פונקציה של אורך הגל, מהירות ההתפשטות של האור בתוכו (λ)=c/n(λ) משתנה גם היא עם אורך הגל. כאשר פולס אור הנפלט ממקור אור עם רוחב קו ספקטרלי מסוים נופל על סיב במצב- יחיד ומתפשט, לפולסי אור באורכי גל שונים יהיו מהירויות התפשטות שונות, וכתוצאה מכך יש הבדל עיכוב בזמן כשהם מגיעים לקצה הפלט, ובכך לגרום להרחבת הדופק. זהו מנגנון פיזור החומר.

אם ידוע שמהירות הקבוצה היא u=da/dB, אז ההשהיה הקבוצתית ליחידת אורך היא T=1/v,=n,/c. לכן, פיזור החומר של סיב אופטי באורך L הוא...

בנוסחה, c היא מהירות האור בוואקום; λ הוא מקדם השבירה של ליבת הסיבים; λ הוא אורך הגל של האור; ו-Aλ הוא רוחב הקו הספקטרלי של מקור האור, כאשר Aλ=λ - λ, המייצג את טווח אורכי הגל שמרכזו ב-A. בדרך כלל, מקדם הפיזור משמש למדידת גודל הפיזור. מקדם הפיזור D (יחידה: ps/(nm·km)) מוגדר כ...

ניתן לראות כי מקדם הפיזור הוא הפיזור הנגרם ממקור אור עם יחידת רוחב קו ספקטרלי המתפשט ביחידת אורך של סיב אופטי. אם מקדם פיזור החומר של הסיב האופטי ידוע, ניתן לחשב בקלות את פיזור החומר כ-ΔTm=DmAAL.

דוגמה 2-1: נניח שמקדם פיזור החומר המרבי של סיב אופטי באורך גל של 1.31 מטר הוא D=3.5ps/(nm·km). אם משתמשים בלייזר מוליכים למחצה עם אורך גל מרכזי של 1.31 מיקרומטר ליצירת אור שידור ברוחב קו ספקטרלי של λ=4 ננומטר, חשב את פיזור החומר הנגרם על ידי התפשטות האור הזה באורך 1 ק"מ של סיב אופטי.

פתרון: ניתן לחשב בקלות את פיזור החומר של הסיב האופטי כך:

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

כפי שניתן לראות בדוגמה 2-1, פיזור החומר קטן יחסית, אפילו קטן יותר מהפיזור המודאלי של סיב רב-מודים בעל אינדקס צעד. כמו כן יש לציין כי מקדם הפיזור של סיב אופטי (לא רק מקדם פיזור החומר) יכול להיות חיובי או שלילי. בסיבים אופטיים, ההשהיה הקבוצתית (A) גדלה עם אורך הגל של הנשא; במילים אחרות, גלי אור באורך גל קצר יותר מתפשטים מהר יותר. במקרה זה, מקדם הפיזור הוא שלילי, הנקרא פיזור שלילי; לעומת זאת, גלי אור באורך גל ארוכים יותר מתפשטים לאט יותר מגלי אור באורך גל קצר יותר.

כאן, מקדם הפיזור חיובי, הנקרא פיזור חיובי. ברור שאם שני סיבים אופטיים עם סימני מקדם פיזור מנוגדים יתמזגו יחד, פיזור החומר ישתפר.

פיזור מוליך גל

פיזור מוליך גל ΔTw מתייחס למצב מודרך ספציפי בסיב אופטי. לאורכי גל שונים יש קבועי פאזה שונים, וכתוצאה מכך מהירויות קבוצות שונות ובכך לפיזור. פיזור מוליך גל קשור גם לגורמים שונים כמו הפרמטרים המבניים של הסיב האופטי והפרש מקדם השבירה היחסי בין הליבה לחיפוי; לכן, זה נקרא גם פיזור מבני.

פיזור מצב קיטוב

פיזור מצב קיטוב הוא סוג של פיזור ייחודי לסיבים אופטיים-יחידים. מכיוון שסיבי מצב- יחיד משדרים למעשה שני מצבי קיטוב אורתוגונליים הדדיים, השדות החשמליים שלהם מקוטבים לאורך כיווני x ו-y, בהתאמה.

רוחב פס סיבים אופטיים

הפיזור ורוחב הפס של סיבים אופטיים מתארים את אותו מאפיין. למעשה, פיזור מתאר את המידה שבה דופק אור מתרחב לאורך ציר הזמן לאחר השידור; זה תיאור של מאפייני הסיב בתחום הזמן. רוחב פס, לעומת זאת, מתאר מאפיין זה בתחום התדר. בתחום התדר, עבור אות מווסת, הסיב האופטי יכול להיחשב כמסנן נמוך-. כאשר רכיבי התדר הגבוה- של האות המווסת עוברים דרכו, הם מוחלשים מאוד. כלומר, אם המשרעת של אות הכניסה (אות מאפנן) נשארת קבועה, אך רק התדר משתנה, משרעת אות המוצא לאחר שידור דרך הסיב תשתנה עם תדירות האות המאפנן (אות קלט). TTU-T ממליץ לציין שרוחב הפס של סיב אופטי הוא [רוחב פס לקילומטר].