Eigenschaften optischer Fasern

Nachoptische Signale reisenWenn sie über eine bestimmte Distanz durch die Glasfaser übertragen werden, unterliegen sie einer Dämpfung und Verzerrung, was dazu führt, dass sich die optischen Eingangs- und Ausgangssignalimpulse unterscheiden. Dies äußert sich in einer Amplitudenabschwächung und Wellenformverbreiterung der optischen Impulse. Die Ursache für dieses Phänomen ist das Vorhandensein von Verlusten und Streuungen innerhalb der optischen Faser. Verlust und Dispersion sind die wichtigsten Parameter, die die Übertragungseigenschaften optischer Fasern beschreiben und die Übertragungsentfernung und Kapazität des Systems begrenzen. In diesem Abschnitt werden hauptsächlich die Mechanismen und Eigenschaften von Glasfaserverlust und -dispersion erörtert.

★Eigenschaften von Lichtwellenleitern (Teil 2)

Verlusteigenschaften von Glasfasern

Der Verlust optischer Fasern führt zu einer Signaldämpfung, daher wird der Verlust optischer Fasern auch als Dämpfung bezeichnet. Mit zunehmender Entfernung in der Glasfaser nimmt die Intensität des Lichtsignals wie folgt ab: P(z)=P(0) /10 - (4) wobei P(z) die optische Leistung bei der Übertragungsentfernung z ist; P(0) ist die in die optische Faser eingegebene optische Leistung, dh die bei z=0 eingespeiste optische Leistung; (λ) ist der Dämpfungskoeffizient der optischen Faser bei der Wellenlänge in dB/km; und L ist die Übertragungsentfernung.

Wenn t=L ist, ist der Faserdämpfungskoeffizient definiert als

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

Wenn die Arbeitswellenlänge λ dB beträgt und der Dämpfungskoeffizient in der Einheit dB pro Kilometer gemessen wird, wird A(λ) (Einheit ist dB) ausgedrückt als:

A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]

Die Glasfaserkommunikation hat sich parallel zu kontinuierlichen Verbesserungen in der Glasfaserherstellung, insbesondere der Reduzierung von Faserverlusten, weiterentwickelt. Der Faserverlust ist einer der Hauptfaktoren, der die Übertragungsentfernung in einem Glasfaserkommunikationssystem bestimmt. Viele Faktoren tragen zum Faserverlust bei, vor allem Absorptionsverlust, Streuverlust und zusätzlicher Verlust, und die diesen Verlusten zugrunde liegenden Mechanismen sind recht komplex. In der folgenden Diskussion werden die verschiedenen Verlustursachen am Beispiel einer Quarzglasfaser veranschaulicht.

Absorptionsverlust

Der Absorptionsverlust umfasst hauptsächlich die intrinsische Absorption, die Absorption von Verunreinigungen (OH-Radikale) und die Absorption struktureller Defekte. Die intrinsische Absorption umfasst Infrarot- und Ultraviolettabsorption.

Unter Infrarotabsorption versteht man die Absorption von Lichtenergie, die durch molekulare Resonanz verursacht wird, wenn Licht durch Quarzglas aus SiO2 fällt. Beispielsweise liegen die Absorptionsspitzen von Si-O bei 9,1 μm, 12,5 μm und 21,3 μm, und der Absorptionsverlust einer optischen Faser beträgt bis zu 10 dB/km bei 9,1 μm. Ultraviolette Absorption ist die Energie, die absorbiert wird, wenn Elektronen durch Lichtwellen zum Übergang in höhere Energieniveaus angeregt werden. Diese Absorption findet im ultravioletten Bereich statt und wird daher üblicherweise als Ultraviolettabsorption bezeichnet. Glasmaterialien enthalten Übergangsmetallionen wie Eisen und Kupfer sowie OH--Ionen. Die Absorption von Verunreinigungen ist der Verlust, der durch die Absorption von Lichtenergie durch Elektronenschritte verursacht wird, die durch Ionenvibrationen unter Lichtwellenanregung erzeugt werden. Beispielsweise beträgt die Dämpfung bei 1,39 μm 60 dB/km, wenn die OH--Ionenkonzentration 1 × 10⁻⁶ beträgt.

Streuverlust

Streuverlust ist der Verlust, der Lichtenergie in Form von Streuung aus der optischen Faser abstrahlt. Es wird durch die ungleichmäßige Dichte innerhalb der Faser verursacht. Zu den Hauptarten von Streuverlusten in optischen Fasern gehören Rayleigh-Streuung, Mie-Streuung, stimulierte Brillouin-Streuung, stimulierte Raman-Streuung, zusätzliche Strukturdefekte und Biegestreuung sowie Leckstreuung.

Bei der Herstellung optischer Fasern führt die thermische Bewegung der Moleküle in der Glasschmelze zu Schwankungen der Dichte und des Brechungsindex innerhalb der Struktur, was wiederum zu Lichtstreuung führt. Streuung durch Teilchen, die viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, wird Rayleigh-Streuung genannt; Streuung, die durch Teilchen derselben Wellenlänge wie Licht verursacht wird, wird Mie-Streuung genannt.

Rayleigh-Streuung ist die Hauptursache für Faserverluste. Rayleigh-Streuung weist die Eigenschaft auf, proportional zu 1/λ der kurzen Wellenlänge zu sein, d. h. R=K/λ. Die Proportionalitätskonstante K hängt mit der Glasstruktur und -zusammensetzung zusammen. Generell gilt: Je höher die Glasübergangstemperatur und je komplexer ihre Zusammensetzung, desto größer ist der Verlust durch Rayleigh-Streuung.

Die Rayleigh-Streuung wird durch die Intensität des einfallenden Lichts beeinflusst. Stimulierte Brillouin-Streuung und stimulierte Raman-Streuung hingegen treten auf, wenn die Lichtenergiedichte einen bestimmten hohen Wert überschreitet, und werden durch die Wechselwirkung zwischen Licht und Medium erzeugt.

Zusätzliche Verluste

Zusätzliche Verluste (oder Anwendungsverluste) sind Verluste, die aus externen Quellen stammen, wie sie beispielsweise durch Faserverdrehung oder seitlichen Druck während der Konstruktion, Installation und des Betriebs verursacht werden und zu Makro-{0}}Biegung und Mikro-{1}}Biegung der Faser führen.

Die Ursachen für Faserverlust sind in der Abbildung zusammengefasst:

Dispersionseigenschaften optischer Fasern

Unter Dispersion versteht man in der Physik das Phänomen, dass Licht verschiedener Farben nach dem Durchgang durch ein transparentes Medium zerstreut wird. Ein Strahl weißen Lichts wird nach dem Durchgang durch ein Prisma in ein siebenfarbiges Band aufgespalten. Dies liegt daran, dass Glas für unterschiedliche Farben (unterschiedliche Frequenzen oder unterschiedliche Wellenlängen) unterschiedliche Brechungsindizes aufweist. Je länger die Wellenlänge (oder je niedriger die Frequenz), desto niedriger ist der Brechungsindex des Glases; Je kürzer die Wellenlänge (oder je höher die Frequenz), desto höher ist der Brechungsindex. Mit anderen Worten: Der Brechungsindex von Glas ist eine Funktion der Frequenz (oder Wellenlänge) der Lichtwelle. Wenn weißes Licht aus verschiedenen Farben im gleichen Winkel θ einfällt, haben verschiedene Lichtfarben gemäß dem Brechungsgesetz (n=sinθ/n²) aufgrund der unterschiedlichen n²-Werte unterschiedliche Brechungswinkel, wodurch die verschiedenen Lichtfarben getrennt werden, was zu einer Dispersion führt. Da n=c/n (wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, c=3 × 10⁻⁶ m/s), ist es klar, dass sich verschiedene Lichtfarben mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten im Glas fortbewegen.

In der Ausbreitungstheorie optischer Fasern wurde die Bedeutung des Begriffs „Dispersion“ erweitert. In optischen Fasern werden Signale durch Lichtwellen vieler verschiedener Moden oder Frequenzen übertragen und übertragen. Wenn das Signal das Terminal erreicht, kommt es bei den verschiedenen Modi oder Frequenzen der Lichtwellen zu unterschiedlichen Übertragungsverzögerungen, was zu Signalverzerrungen führt. Dieses Phänomen wird zusammenfassend als Dispersion bezeichnet. Bei digitalen Signalen führt die Dispersion zu einer Impulsverbreiterung, nachdem sie sich über eine bestimmte Distanz durch die Faser ausgebreitet hat. In schweren Fällen überlappen sich aufeinanderfolgende Impulse und es kommt zu Intersymbolinterferenzen. Daher bestimmt die Dispersion die Übertragungsbandbreite der Glasfaser und begrenzt die Übertragungsrate oder den Repeater-Abstand des Systems. Dispersion und Bandbreite sind die gleichen Eigenschaften optischer Fasern, die aus unterschiedlichen Perspektiven beschrieben werden.

Basierend auf den Ursachen der Dispersion wird die Dispersion optischer Fasern hauptsächlich in Modendispersion, Materialdispersion, Wellenleiterdispersion und Polarisationsmodendispersion unterteilt, die im Folgenden vorgestellt werden.

Modendispersion

Modale Dispersion liegt im Allgemeinen in Multimode-Fasern vor. Da in einer Multimode-Faser mehrere Moden nebeneinander existieren und die Gruppenausbreitungsgeschwindigkeiten verschiedener Moden entlang der Faserachse unterschiedlich sind, kommen sie zwangsläufig zu unterschiedlichen Zeiten am Terminal an, was zu einem Zeitverzögerungsunterschied und zur Bildung einer intermodalen Dispersion führt, was zu einer Verbreiterung der Impulsbreite führt. Die Pulsverbreiterung aufgrund der Modendispersion ist in Abbildung 2-10 dargestellt. Da bei einer idealen Single--Mode-Faser nur ein Modus (Grundmodus – LP- oder HE-Modus) übertragen wird, gibt es keine Modaldispersion, sondern eine Polarisationsmodendispersion.

Nun schätzen wir die maximale Modaldispersion einer Multimode-Faser mit Stufen--Index. Die modale Dispersion einer Stufen--Index-Multimode-Faser ist in Abbildung 2-11 dargestellt. In einer Stufen--Index-Multimodefaser sind die beiden sich am schnellsten und langsamsten ausbreitenden Strahlen der Strahl ①, der sich entlang der Achse ausbreitet, und der Strahl ②, der in einem kritischen Winkel von 0 Grad einfällt. Daher ist die maximale Modendispersion in einer Stufenindex-Multimode-Faser die Zeitdifferenz zwischen der Zeit, die Strahl ② (Tmax) benötigt, und der Zeit, die Strahl ① (Tmin) benötigt, um den Endpunkt zu erreichen, ΔT_mux: ΔT_mux = T_max / T_min

Gemäß der geometrischen Optik seien in einer optischen Faser der Länge L die Geschwindigkeiten der Lichtstrahlen ① und ② entlang der axialen Richtung c/n bzw. sinθ·c/n. Daher ist die Modendispersion der optischen Faser...

In schwach geführten optischen Fasern (Fasern mit n_iund n_iunterscheiden sich kaum), A=(n_i- n)/n. Wenn Δ=1 %, n_i= 1.5 für Quarzglasfasern und die Faserlänge beträgt 1 km, dann ist die maximale intermodale Dispersion ΔT_mkann mit 50 ns berechnet werden. Daher ist es offensichtlich, dass die intermodale Streuung umso stärker ist, je länger die Faserlänge ist. und je größer der relative Brechungsindexunterschied Δ ist, desto schwerwiegender ist die intermodale Dispersion.

Materialverteilung

Da der Brechungsindex optischer Fasermaterialien mit der Wellenlänge des Lichts variiert, unterscheidet sich die Gruppengeschwindigkeit verschiedener Frequenzen des optischen Signals, was zu unterschiedlichen Übertragungsverzögerungen führt, einem Phänomen, das als Materialdispersion bekannt ist. Diese Dispersion hängt von den Wellenlängeneigenschaften, dem Brechungsindex des optischen Fasermaterials und der Linienbreite der Lichtquelle ab.

In digitalen Glasfaser-Kommunikationssystemen hat das Ausgangslicht der eigentlichen Lichtquelle keine einzelne Wellenlänge, sondern eine bestimmte spektrale Linienbreite. Da der Brechungsindex des Fasermaterials eine Funktion der Wellenlänge ist, variiert auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts darin (λ)=c/n(λ) mit der Wellenlänge. Wenn ein von einer Lichtquelle mit einer bestimmten Spektrallinienbreite emittierter Lichtimpuls auf eine Single---Mode-Faser trifft und sich ausbreitet, haben Lichtimpulse unterschiedlicher Wellenlänge unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten, was zu einem Zeitverzögerungsunterschied führt, wenn sie das Ausgangsende erreichen, was zu einer Impulsverbreiterung führt. Dies ist der Mechanismus der Materialdispersion.

Wenn bekannt ist, dass die Gruppengeschwindigkeit u=da/dB beträgt, beträgt die Gruppenverzögerung pro Längeneinheit T=1/v,=n,/c. Daher ist die Materialdispersion einer optischen Faser der Länge L...

In der Formel ist c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum; λ ist der Brechungsindex des Faserkerns; λ ist die Wellenlänge des Lichts; und Aλ ist die spektrale Linienbreite der Lichtquelle, wobei Aλ=λ - λ den bei A zentrierten Wellenlängenbereich darstellt. Im Allgemeinen wird der Dispersionskoeffizient verwendet, um die Größe der Dispersion zu messen. Der Dispersionskoeffizient D (Einheit: ps/(nm·km)) ist definiert als...

Es ist ersichtlich, dass der Dispersionskoeffizient die Dispersion ist, die durch eine Lichtquelle mit einer Einheitsspektrallinienbreite verursacht wird, die sich in einer Einheitslänge einer optischen Faser ausbreitet. Wenn der Materialdispersionskoeffizient der optischen Faser bekannt ist, kann die Materialdispersion einfach als ΔTm=DmAAL berechnet werden.

Beispiel 2-1: Angenommen, der maximale Materialdispersionskoeffizient einer optischen Faser bei einer Wellenlänge von 1,31 m beträgt D=3.5ps/(nm·km). Wenn ein Halbleiterlaser mit einer Mittenwellenlänge von 1,31 µm verwendet wird, um Transmissionslicht mit einer spektralen Linienbreite von λ=4nm zu erzeugen, berechnen Sie die Materialdispersion, die durch die Ausbreitung dieses Lichts in einer 1 km langen optischen Faser verursacht wird.

Lösung: Die Materialdispersion der optischen Faser lässt sich leicht berechnen als:

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

Wie in Beispiel 2-1 zu sehen ist, ist die Materialdispersion relativ gering, sogar kleiner als die modale Dispersion einer Stufenindex-Multimode-Faser. Es sollte auch beachtet werden, dass der Dispersionskoeffizient einer optischen Faser (nicht nur der Materialdispersionskoeffizient) positiv oder negativ sein kann. In optischen Fasern nimmt die Gruppenverzögerung (A) mit der Trägerwellenlänge zu; Mit anderen Worten: Lichtwellen mit kürzerer Wellenlänge breiten sich schneller aus. In diesem Fall ist der Dispersionskoeffizient negativ, was als negative Dispersion bezeichnet wird. Umgekehrt breiten sich Lichtwellen mit längerer Wellenlänge langsamer aus als Lichtwellen mit kürzerer Wellenlänge.

Hier ist der Dispersionskoeffizient positiv, was als positive Dispersion bezeichnet wird. Wenn zwei optische Fasern mit entgegengesetzten Vorzeichen des Dispersionskoeffizienten miteinander verschmolzen werden, wird die Materialdispersion eindeutig verbessert.

Wellenleiterdispersion

Die Wellenleiterdispersion ΔTw bezieht sich auf einen bestimmten geführten Modus in einer optischen Faser. Unterschiedliche Wellenlängen haben unterschiedliche Phasenkonstanten, was zu unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten und damit zu unterschiedlichen Dispersionen führt. Die Wellenleiterdispersion hängt auch mit verschiedenen Faktoren zusammen, wie z. B. den Strukturparametern der optischen Faser und dem relativen Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel; daher wird sie auch strukturelle Dispersion genannt.

Polarisationsmodendispersion

Die Polarisationsmodendispersion ist eine Art der Dispersion, die nur für optische Singlemode-Fasern gilt. Da Single---Mode-Fasern tatsächlich zwei zueinander orthogonale Polarisationsmodi übertragen, sind ihre elektrischen Felder entlang der x- bzw. y-Richtung polarisiert.

Glasfaserbandbreite

Die Dispersion und Bandbreite optischer Fasern beschreiben die gleiche Eigenschaft. Tatsächlich beschreibt die Dispersion das Ausmaß, in dem sich ein Lichtimpuls nach der Übertragung entlang der Zeitachse verbreitert; Es handelt sich um eine Beschreibung der Eigenschaften der Faser im Zeitbereich. Die Bandbreite hingegen beschreibt diese Eigenschaft im Frequenzbereich. Im Frequenzbereich kann die optische Faser für ein modulierendes Signal als Tiefpassfilter betrachtet werden. Wenn die hochfrequenten Komponenten des Modulationssignals hindurchgehen, werden sie stark gedämpft. Das heißt, wenn die Amplitude des Eingangssignals (Modulationssignal) konstant bleibt, sich aber nur die Frequenz ändert, ändert sich die Amplitude des Ausgangssignals nach der Übertragung durch die Faser mit der Frequenz des Modulationssignals (Eingangssignal). TTU-T empfiehlt die Angabe, dass die Bandbreite einer Glasfaser [Bandbreite pro Kilometer] beträgt.