Optik tolalarning xususiyatlari

Keyinoptik signallar tarqaladioptik tola orqali ma'lum masofada ular zaiflashuv va buzilishlarga duchor bo'lib, kirish va chiqish optik signal impulslarining farqlanishiga olib keladi. Bu optik impulslarning amplitudasining susayishi va to'lqin shaklining kengayishi sifatida namoyon bo'ladi. Ushbu hodisaning sababi optik tola ichidagi yo'qotish va dispersiyaning mavjudligi. Yo'qotish va dispersiya optik tolalarning uzatish xususiyatlarini tavsiflovchi eng muhim parametrlar bo'lib, tizimning uzatish masofasi va imkoniyatlarini cheklaydi. Ushbu bo'limda birinchi navbatda optik tolaning yo'qolishi va tarqalishining mexanizmlari va xususiyatlari muhokama qilinadi.

★Optik tolalarning xususiyatlari (2-qism)

Optik tolaning yo'qotish xususiyatlari

Optik tolaning yo'qolishi signalning zaiflashishiga olib keladi, shuning uchun optik tolaning yo'qolishi ham zaiflashuv deb ataladi. Optik tolada masofa oshgani sayin yorug'lik signalining intensivligi quyidagicha kamayadi: P(z)=P(0) /10 - (4) bu yerda P(z) - z uzatish masofasida optik quvvat; P(0) - optik tolaga kiritilgan optik quvvat, ya'ni z=0 da kiritilgan optik quvvat; (l) dB/km da to'lqin uzunligida optik tolaning susayishi koeffitsienti; va L - uzatish masofasi.

t=L bo'lganda, tolaning zaiflashuv koeffitsienti quyidagicha aniqlanadi

(l)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

Ishchi to'lqin uzunligi l dB bo'lsa, zaiflashuv koeffitsienti har bir kilometr uchun dB birliklarida o'lchanadigan bo'lsa, u holda A(l) (birlik dB) quyidagicha ifodalanadi:

A(l)=10 lg[P(0)/P(L)]

Optik tolali aloqa optik tola ishlab chiqarishda doimiy yaxshilanishlar, xususan, tola yo'qotilishini kamaytirish bilan birga rivojlandi. Tolaning yo'qolishi optik tolali aloqa tizimida o'rni masofasini belgilovchi asosiy omillardan biridir. Ko'pgina omillar tolaning yo'qolishiga, birinchi navbatda, so'rilishning yo'qolishiga, tarqalishning yo'qolishiga va qo'shimcha yo'qotishlarga yordam beradi va bu yo'qotishlar asosidagi mexanizmlar juda murakkab. Quyidagi muhokamada yo'qotishning turli sabablarini ko'rsatish uchun misol sifatida silika optik tolasidan foydalaniladi.

Absorbtsiyani yo'qotish

Absorbtsiyani yo'qotish asosan ichki yutilish, nopoklik yutilishi (OH radikallari) va strukturaviy nuqsonlarning yutilishini o'z ichiga oladi. Ichki yutilish infraqizil va ultrabinafsha nurlanishni o'z ichiga oladi.

Infraqizil assimilyatsiya - yorug'lik SiO2 dan tashkil topgan kvarts oynasidan o'tganda molekulyar rezonans natijasida yuzaga keladigan yorug'lik energiyasini yutishdir. Masalan, Si-O ning yutilish cho‘qqilari 9,1 mkm, 12,5 mkm va 21,3 mkm da, optik tolaning yutilish yo‘qotilishi esa 9,1 mkm da 10 dB/km ga teng. Ultraviyole yutilish - elektronlar yorug'lik to'lqinlari orqali yuqori energiya darajalariga o'tish uchun hayajonlanganda so'rilgan energiya. Bu yutilish ultrabinafsha mintaqada sodir bo'ladi va shuning uchun odatda ultrabinafsha yutilish deb ataladi. Shisha materiallar tarkibida temir va mis kabi oʻtish metall ionlari, shuningdek, OH- ionlari mavjud. Nopoklikning yutilishi yorugʻlik toʻlqini qoʻzgʻalishi ostida ion tebranishlari natijasida hosil boʻlgan elektron qadamlar orqali yorugʻlik energiyasini yutish natijasida yuzaga keladigan yoʻqotishdir. Masalan, OH- ion kontsentratsiyasi 1 × 10⁻⁶ bo'lganda, 1,39 mkm da pasayish 60 dB/km ni tashkil qiladi.

Tarqalishining yo'qolishi

Tarqalishning yo'qolishi - yorug'lik energiyasini optik toladan sochilish shaklida chiqaradigan yo'qotish. Bunga tola ichidagi-bir xil bo'lmagan zichlik sabab bo'ladi. Optik tolalardagi tarqalish yo'qolishining asosiy turlariga Rayleigh tarqalishi, Mie tarqalishi, stimulyatsiya qilingan Brillouin tarqalishi, stimulyatsiya qilingan Raman tarqalishi, qo'shimcha strukturaviy nuqsonlar va egilish tarqalishi va oqish tarqalishi kiradi.

Optik tola ishlab chiqarish jarayonida erigan shishadagi molekulalarning issiqlik harakati uning strukturasida zichlik va sinishi indeksining o'zgarishiga olib keladi, bu esa o'z navbatida yorug'likning tarqalishini keltirib chiqaradi. Yorug'likning to'lqin uzunligidan ancha kichik bo'lgan zarrachalar ta'sirida yuzaga keladigan sochilish Reylning tarqalishi deyiladi; yorug'lik bilan bir xil to'lqin uzunlikdagi zarrachalar tomonidan yuzaga keladigan sochilish Mie tarqalishi deyiladi.

Rayleighning tarqalishi tolaning yo'qolishining asosiy sababidir. Reylning tarqalishi qisqa to'lqin uzunligining 1/l ga, ya'ni R=K/l ga proportsional bo'lish xususiyatini namoyon qiladi. Proportsionallik doimiysi K shisha tuzilishi va tarkibi bilan bog'liq. Umuman olganda, shisha o'tish harorati qanchalik yuqori bo'lsa va uning tarkibi qanchalik murakkab bo'lsa, Rayleigh tarqalishining yo'qolishi shunchalik katta bo'ladi.

Rayleighning tarqalishiga tushayotgan yorug'lik intensivligi ta'sir qiladi. Boshqa tomondan, Brillouinning stimulyatsiyalangan tarqalishi va stimulyatsiya qilingan Raman tarqalishi, aksincha, yorug'lik energiyasining zichligi ma'lum bir yuqori qiymatdan oshib ketganda sodir bo'ladi va yorug'lik va muhit o'rtasidagi o'zaro ta'sir natijasida hosil bo'ladi.

Qo'shimcha yo'qotishlar

Qo'shimcha yo'qotishlar (yoki qo'llash yo'qotishlari) tashqi manbalardan kelib chiqadigan yo'qotishlardir, masalan, qurilish, o'rnatish va ishlatish jarayonida tolaning burishishi yoki lateral bosim natijasida kelib chiqadigan, natijada tolaning makro-egilishi va mikro{1}}egilishi.

Elyafning yo'qolishining sabablari rasmda keltirilgan:

Optik tolalarning dispersiya xususiyatlari

Fizikada dispersiya shaffof muhitdan o'tgandan so'ng turli rangdagi yorug'lik tarqaladigan hodisani anglatadi. Oq yorug'lik nuri prizmadan o'tgandan so'ng etti{1}}rang bandiga bo'linadi. Buning sababi shundaki, shisha turli xil ranglar (turli chastotalar yoki turli to'lqin uzunliklari) uchun turli xil sinishi ko'rsatkichlariga ega. To'lqin uzunligi qanchalik uzun bo'lsa (yoki chastotasi past bo'lsa), shishaning sinishi ko'rsatkichi shunchalik past bo'ladi; to'lqin uzunligi qanchalik qisqa bo'lsa (yoki chastota qanchalik baland bo'lsa), sinishi indeksi shunchalik yuqori bo'ladi. Boshqacha qilib aytganda, shishaning sinishi ko'rsatkichi yorug'lik to'lqinining chastotasiga (yoki to'lqin uzunligiga) bog'liq. Turli xil ranglardan tashkil topgan oq yorug'lik bir xil th burchak ostida tushsa, sinish qonuniga (n=sinth/n²) ko'ra, yorug'likning turli xil ranglari turli xil n² qiymatlari tufayli turli xil sinishi burchaklariga ega bo'ladi va shu bilan yorug'likning turli ranglarini ajratadi, natijada dispersiya paydo bo'ladi. n=c/n (bu yerda c - yorug'lik tezligi, c=3 × 10⁻⁶ m/s) bo'lgani uchun, yorug'likning turli ranglari shisha ichida turli tezlikda tarqalishi aniq.

Optik tolaning tarqalishi nazariyasida "dispersiya" atamasining ma'nosi kengaytirildi. Optik tolalarda signallar turli xil rejimlar yoki chastotalarning yorug'lik to'lqinlari orqali tashiladi va uzatiladi. Signal terminalga yetganda, yorug'lik to'lqinlarining turli rejimlari yoki chastotalari uzatish kechikish farqlarini boshdan kechiradi, bu signal buzilishiga olib keladi. Bu hodisa umumiy ravishda dispersiya deb ataladi. Raqamli signallar uchun dispersiya tolalar bo'ylab ma'lum masofani tarqatgandan so'ng pulsning kengayishiga olib keladi. Og'ir holatlarda ketma-ket impulslar bir-biriga yopishib, belgilararo interferentsiyani hosil qiladi. Shuning uchun dispersiya optik tolaning uzatish tarmoqli kengligini aniqlaydi va tizimning uzatish tezligini yoki takrorlash masofasini cheklaydi. Dispersiya va tarmoqli kengligi turli nuqtai nazarlardan tasvirlangan optik tolalarning bir xil xarakteristikasidir.

Dispersiyaning sabablariga ko'ra, optik tolali dispersiya asosan quyidagilarga bo'linadi: modal dispersiya, material dispersiyasi, to'lqin uzatuvchi dispersiya va qutblanish rejimi dispersiyasi, ular quyida keltirilgan.

Tarqatish rejimi

Modal dispersiya odatda multimodli tolalarda mavjud. Ko'p rejimli tolada bir nechta rejimlar birga mavjud bo'lganligi sababli va tolalar o'qi bo'ylab turli rejimlarning guruh tarqalish tezligi har xil bo'lgani uchun ular muqarrar ravishda terminalga turli vaqtlarda keladi, bu vaqtni kechiktirish farqiga olib keladi va intermodal dispersiyani hosil qiladi, shu bilan impuls kengligining kengayishiga olib keladi. Modal dispersiya tufayli impulsning kengayishi 2-10-rasmda ko'rsatilgan. Ideal yagona rejimli tolalar uchun, chunki faqat bitta rejim (asosiy rejim - LP yoki HE rejimi) uzatiladi, modal dispersiya yo'q, lekin polarizatsiya rejimi dispersiyasi mavjud.

Endi biz qadam{0}}koʻp rejimli tolaning maksimal modal dispersiyasini hisoblaymiz. Bosqichli{2}}koʻp rejimli tolaning modal dispersiyasi 2-rasmda-11-rasmda koʻrsatilgan. Bosqichli koʻp rejimli tolalar-da ikkita eng tez va eng sekin tarqaladigan nurlar mos ravishda oʻq boʻylab tarqaladigan ① nur va 0 graduslik kritik burchak ostida tushgan nur ② nurdir. Shuning uchun, bosqichli indeksli ko'p rejimli tolada maksimal rejim dispersiyasi ② nurning (Tmax) va ① nurning (Tmin) terminalga yetib borish vaqti o'rtasidagi vaqt farqidir, DT._mux: ΔT_mux = T_maks / T_min

Geometrik optikaga ko'ra, L uzunlikdagi optik tolada ① va ② yorug'lik nurlarining eksenel yo'nalish bo'yicha tezligi mos ravishda c/n va sinh·c/n bo'lsin. Shuning uchun optik tolaning modal dispersiyasi...

Kuchsiz boshqariladigan optik tolalarda (n_iva n_ijuda kam farq qiladi), A=(n_i- n)/n. Agar D=1%, n_iSilika optik tolalar uchun=1.5 va tola uzunligi 1 km, keyin maksimal intermodal dispersiya DT_m50 ns deb hisoblash mumkin. Shu sababli, tolalar uzunligi qancha uzun bo'lsa, intermodal dispersiya shunchalik kuchli bo'lishi aniq; va nisbiy sindirish ko'rsatkichi farqi D qanchalik katta bo'lsa, intermodal dispersiya shunchalik qattiqroq bo'ladi.

Materiallarning tarqalishi

Optik tolali materiallarning sinishi ko'rsatkichi yorug'lik to'lqin uzunligi bilan o'zgarganligi sababli, optik signalning turli chastotalarining guruh tezligi farqlanadi, bu esa uzatish kechikish farqini keltirib chiqaradi, bu material dispersiyasi deb ataladigan hodisa. Ushbu dispersiya optik tolali materialning sinishi indeksining to'lqin uzunligi xususiyatlariga va yorug'lik manbasining chiziq kengligiga bog'liq.

Raqamli optik tolali aloqa tizimlarida haqiqiy yorug'lik manbasidan chiqadigan yorug'lik bitta to'lqin uzunligi emas, balki ma'lum bir spektral chiziq kengligiga ega. Elyaf materialining sindirish ko'rsatkichi to'lqin uzunligiga bog'liq bo'lganligi sababli, uning ichidagi yorug'likning tarqalish tezligi (l)=c/n(l) ham to'lqin uzunligiga qarab o'zgaradi. Muayyan spektral chiziq kengligiga ega yorug'lik manbai chiqaradigan yorug'lik impulsi-bir rejimli tolaga tushsa va tarqalsa, turli to'lqin uzunlikdagi yorug'lik impulslari tarqalish tezligi har xil bo'ladi, natijada ular chiqish oxiriga yetganda vaqtni kechiktirish farqi paydo bo'ladi, bu esa impulsning kengayishiga olib keladi. Bu materialning tarqalish mexanizmi.

Agar guruh tezligi u=da/dB ekanligi ma'lum bo'lsa, u holda birlik uzunlikdagi guruh kechikishi T=1/v,=n,/c bo'ladi. Shuning uchun L uzunlikdagi optik tolaning moddiy dispersiyasi...

Formulada c - yorug'likning vakuumdagi tezligi; l - tola yadrosining sinishi ko'rsatkichi; l - yorug'likning to'lqin uzunligi; va AI - yorug'lik manbasining spektral chizig'i kengligi, bu erda AI=l - l, A nuqtada joylashgan to'lqin uzunligi diapazonini ifodalaydi. Odatda dispersiya koeffitsienti dispersiya kattaligini o'lchash uchun ishlatiladi. Dispersiya koeffitsienti D (birlik: ps/(nm·km)) quyidagicha aniqlanadi...

Ko'rinib turibdiki, dispersiya koeffitsienti optik tolaning birlik uzunligida tarqaladigan birlik spektral chiziqli yorug'lik manbasidan kelib chiqadigan dispersiyadir. Agar optik tolaning material dispersiya koeffitsienti ma'lum bo'lsa, material dispersiyasini DTm=DmAAL sifatida osongina hisoblash mumkin.

2-1-misol: 1,31 m to‘lqin uzunligidagi optik tolaning maksimal material dispersiya koeffitsienti D=3.5ps/(nm·km) bo‘lsin. Agar markaziy to'lqin uzunligi 1,31 mkm bo'lgan yarimo'tkazgichli lazer l=4 nm spektral chiziq kengligi bilan o'tkazuvchi yorug'likni yaratish uchun ishlatilsa, 1 km uzunlikdagi optik tolada tarqalayotgan bu yorug'lik natijasida yuzaga keladigan material dispersiyasini hisoblang.

Yechim: Optik tolaning material dispersiyasini quyidagicha osonlikcha hisoblash mumkin:

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

2-1-misolda ko'rinib turibdiki, material dispersiyasi nisbatan kichik, hatto pog'onali indeksli multimodli tolaning modal dispersiyasidan ham kichikroq. Shuni ham ta'kidlash kerakki, optik tolaning dispersiya koeffitsienti (faqat moddiy dispersiya koeffitsienti emas) ijobiy yoki salbiy bo'lishi mumkin. Optik tolada guruhning kechikishi (A) tashuvchining to'lqin uzunligi bilan ortadi; boshqacha qilib aytganda, qisqaroq to'lqin uzunligi yorug'lik to'lqinlari tezroq tarqaladi.Bu holda, dispersiya koeffitsienti salbiy, salbiy dispersiya deb ataladi; aksincha, uzunroq to'lqin uzunlikdagi yorug'lik to'lqinlari qisqa to'lqin uzunlikdagi yorug'lik to'lqinlariga qaraganda sekinroq tarqaladi.

Bu erda dispersiya koeffitsienti musbat, musbat dispersiya deb ataladi. Shubhasiz, agar qarama-qarshi dispersiya koeffitsienti belgilariga ega bo'lgan ikkita optik tolalar birlashtirilsa, material dispersiyasi yaxshilanadi.

to‘lqin o‘tkazgich dispersiyasi

To'lqin o'tkazgich dispersiyasi DTw optik tolada maxsus boshqariladigan rejimga ishora qiladi. Turli to'lqin uzunliklari turli xil faza konstantalariga ega, natijada turli guruh tezligi va shuning uchun dispersiya. To'lqin yo'riqnomasining tarqalishi, shuningdek, optik tolaning strukturaviy parametrlari va yadro va qoplama o'rtasidagi nisbiy sinishi indeksi farqi kabi turli omillar bilan bog'liq; shuning uchun uni strukturaviy dispersiya ham deyiladi.

Polarizatsiya rejimi dispersiyasi

Polarizatsiya rejimi dispersiyasi yagona rejimli optik tolalarga xos boʻlgan dispersiya turidir. Yagona rejimli tolalar haqiqatda ikkita oʻzaro ortogonal polarizatsiya rejimini oʻtkazganligi sababli ularning elektr maydonlari mos ravishda x va y yoʻnalishlari boʻyicha qutblanadi.

Optik tolali tarmoqli kengligi

Optik tolalarning tarqalishi va tarmoqli kengligi bir xil xususiyatni tavsiflaydi. Aslida, dispersiya yorug'lik impulsining uzatilgandan keyin vaqt o'qi bo'ylab kengayish darajasini tavsiflaydi; bu tolaning vaqt sohasidagi xususiyatlarining tavsifi. Boshqa tomondan, tarmoqli kengligi bu xususiyatni chastota domenida tavsiflaydi. Chastota domenida modulyatsiya qiluvchi signal uchun optik tolani past-o'tkazuvchi filtr deb hisoblash mumkin. Modulyatsiya qiluvchi signalning yuqori -chastotali komponentlari u orqali o'tganda, ular keskin zaiflashadi. Ya'ni, agar kirish signalining amplitudasi (modulyatsiya qiluvchi signal) doimiy bo'lib qolsa, lekin faqat chastota o'zgarsa, tola orqali uzatilgandan keyin chiqish signalining amplitudasi modulyatsiya qiluvchi signal (kirish signali) chastotasi bilan o'zgaradi. TTU-T optik tolali tarmoqli kengligi [bir kilometrga tarmoqli kengligi] ekanligini belgilashni tavsiya qiladi.