1. Jak łączone są włókna światłowodowe?

Odpowiedź: Światłowód składa się z dwóch podstawowych części: rdzenia wykonanego z przezroczystych materiałów optycznych oraz warstwy płaszcza i powłoki.

2. Jakie są podstawowe parametry opisujące charakterystyki transmisyjne linii światłowodowych?

Odpowiedź: Należą do nich straty, dyspersja, szerokość pasma, długość fali odcięcia, średnica pola modu itp.

3. Jakie są przyczyny tłumienia włókien?

Odpowiedź: Tłumienie światłowodu odnosi się do redukcji mocy optycznej między dwoma przekrojami poprzecznymi światłowodu, co jest związane z długością fali. Głównymi przyczynami tłumienia są rozpraszanie, absorpcja i strata optyczna spowodowana przez złącza i połączenia.

4. Jak zdefiniowano współczynnik tłumienia światłowodu?

Odpowiedź: Jest ona definiowana jako tłumienie na jednostkę długości jednolitego włókna światłowodowego w stanie ustalonym (dB/km).

5. Czym jest tłumienie wtrąceniowe?

Odpowiedź: Chodzi o tłumienie powstające w wyniku wstawiania elementów optycznych (takich jak wstawianie złączy lub sprzęgaczy) do linii transmisji optycznej.

6. Czego dotyczy szerokość pasma światłowodu?

Odpowiedź: Szerokość pasma światłowodu odnosi się do częstotliwości modulacji, gdy amplituda mocy optycznej jest zmniejszona o 50% lub 3 dB w porównaniu z amplitudą zerowej częstotliwości w funkcji przenoszenia światłowodu. Szerokość pasma światłowodu jest w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalna do jego długości, a iloczyn szerokości pasma i długości jest stały.

7. Ile jest typów dyspersji światłowodowej? Czego ona dotyczy?

Odpowiedź: Dyspersja światłowodu odnosi się do poszerzenia opóźnienia grupowego w światłowodzie, w tym dyspersji modowej, dyspersji materiałowej i dyspersji strukturalnej. Zależy to od charakterystyki zarówno źródła światła, jak i światłowodu.

8. Jak opisać charakterystyki dyspersji sygnałów propagowanych w światłowodzie?

Odpowiedź: Można to opisać za pomocą trzech wielkości fizycznych: poszerzenia impulsu, szerokości pasma światłowodu i współczynnika dyspersji światłowodu.

9. Jaka jest długość fali granicznej?

Odpowiedź: Odnosi się do najkrótszej długości fali, która może transmitować tylko podstawowy tryb w światłowodzie. W przypadku światłowodu jednomodowego jego długość fali odcięcia musi być krótsza niż długość fali transmitowanego światła.

10. Jaki wpływ będzie miała dyspersja światłowodów na wydajność systemu komunikacji światłowodowej?

Odpowiedź: Dyspersja włókna światłowodowego powoduje poszerzenie impulsu optycznego podczas transmisji w włóknie światłowodowym, co ma wpływ na współczynnik błędów bitowych, odległość transmisji i szybkość systemu.

11. Na czym polega metoda rozpraszania wstecznego?

Odpowiedź: Metoda rozpraszania wstecznego to metoda pomiaru tłumienia wzdłuż długości włókna optycznego. Większość mocy optycznej w włóknie optycznym rozprzestrzenia się do przodu, ale mała część jest rozpraszana wstecznie w kierunku emitera światła. Używając spektrometru przy emiterze światła do obserwacji krzywej czasowej rozpraszania wstecznego, można nie tylko zmierzyć długość i tłumienie połączonego jednolitego włókna optycznego z jednego końca, ale także zmierzyć lokalne nieregularności, punkty przerwania i utratę mocy optycznej spowodowane przez połączenia i łączniki.

12. Jaka jest zasada testowania reflektometru optycznego w dziedzinie czasu (OTDR)? Jakie są jego funkcje?

Odpowiedź: OTDR opiera się na zasadzie rozpraszania wstecznego światła i odbicia Fresnela. Wykorzystuje rozproszone światło generowane podczas propagacji światła w światłowodzie w celu uzyskania informacji o tłumieniu. Może być używany do pomiaru tłumienia światłowodu, strat połączeń, lokalizacji punktu uszkodzenia światłowodu i zrozumienia rozkładu strat na długości światłowodu. Jest to niezbędne narzędzie w konstrukcji, konserwacji i monitorowaniu kabli optycznych. Jego główne wskaźniki obejmują: zakres dynamiki, czułość, rozdzielczość, czas pomiaru i obszar martwy.

13. Czym jest obszar ślepy OTDR? Jaki jest wpływ na test? Jak radzić sobie z obszarem ślepym w rzeczywistym testowaniu?

Odpowiedź: Zazwyczaj seria „martwych punktów” powstała w wyniku nasycenia odbiornika OTDR ze względu na odbicia generowane przez punkty charakterystyczne, takie jak aktywne złącza i połączenia mechaniczne, nazywana jest obszarami martwymi.

Obszary martwe w światłowodach dzielą się na obszary martwe na zdarzenia i obszary martwe na tłumienie: odległość od punktu początkowego szczytu odbicia do szczytu nasycenia odbiornika spowodowanego interwencją aktywnych łączników nazywana jest obszarami martwymi na zdarzenia; odległość od punktu początkowego szczytu odbicia do innych identyfikowalnych punktów zdarzeń spowodowanych interwencją aktywnych łączników w światłowodach nazywana jest obszarami martwymi na tłumienie.

W przypadku OTDR im mniejszy obszar martwy, tym lepiej. Obszar martwy będzie się zwiększał wraz ze wzrostem szerokości poszerzającego się impulsu. Chociaż zwiększanie szerokości impulsu zwiększa długość pomiaru, zwiększa również obszar martwy pomiaru. Dlatego podczas testowania włókien optycznych, wąskie impulsy powinny być używane do pomiaru włókna optycznego i sąsiednich punktów zdarzeń akcesoriów OTDR, podczas gdy szerokie impulsy powinny być używane do pomiaru odległego końca włókna optycznego.

14. Czy OTDR może mierzyć różne rodzaje włókien światłowodowych?

A: Jeśli używasz modułu OTDR jednomodowego do pomiaru światłowodu wielomodowego lub używasz modułu OTDR wielomodowego do pomiaru światłowodu jednomodowego o średnicy rdzenia 62,5 mm, wynik pomiaru długości światłowodu nie zostanie zmieniony, ale wyniki strat światłowodu, strat złącza optycznego i strat odbiciowych będą nieprawidłowe. Dlatego podczas pomiaru światłowodu musisz wybrać OTDR, który pasuje do mierzonego włókna, aby uzyskać prawidłowe wyniki dla wszystkich wskaźników wydajności.

15. Co oznacza „1310nm” lub „1550nm” w powszechnie używanych optycznych przyrządach pomiarowych?

A: Odnosi się do długości fali sygnału optycznego. Zakres długości fali używany w komunikacji światłowodowej mieści się w obszarze bliskiej podczerwieni, o długości fali między 800 nm a 1700 nm. Często dzieli się go na pasma krótkofalowe i pasma długofalowe, pierwsze odnosi się do długości fali 850 nm, a drugie odnosi się do 1310 nm i 1550 nm.

16. W obecnych komercyjnych światłowodach, jaka długość fali światła ma najmniejszą dyspersję? Jaka długość fali światła ma najmniejszą stratę?

Odpowiedź: Światło o długości fali 1310 nm ma najmniejsze rozproszenie, a światło o długości fali 1550 nm ma najmniejsze straty.

17. Jak klasyfikuje się włókna optyczne w zależności od zmiany współczynnika załamania światła rdzenia włókna optycznego?

Odpowiedź: Można je podzielić na światłowody o współczynniku skokowym i światłowody o współczynniku gradientowym. Włókna optyczne o współczynniku skokowym mają wąskie pasmo i nadają się do komunikacji o małej pojemności na krótkie odległości; światłowody o współczynniku gradientowym mają szerokie pasmo i nadają się do komunikacji o średniej i dużej pojemności.

18. Jak klasyfikuje się włókna optyczne ze względu na różne tryby fal świetlnych przesyłanych przez włókna optyczne?

Odpowiedź: Można je podzielić na światłowody jednomodowe i wielomodowe. Średnica rdzenia światłowodów jednomodowych wynosi w przybliżeniu od 1 do 10 μm. Przy danej długości fali roboczej transmitowany jest tylko jeden podstawowy mod, co jest odpowiednie dla systemów komunikacyjnych o dużej pojemności i dalekiego zasięgu. Włókna wielomodowe mogą transmitować wiele modów fal świetlnych, przy średnicy rdzenia wynoszącej w przybliżeniu od 50 do 60 μm, a ich wydajność transmisji jest gorsza niż w przypadku światłowodów jednomodowych.

Do przesyłu prądu zabezpieczenia różnicowego zabezpieczenia multipleksowego często stosuje się światłowody wielomodowe pomiędzy urządzeniem konwersji optoelektronicznej zainstalowanym w pomieszczeniu łączności stacji a urządzeniem zabezpieczającym zainstalowanym w pomieszczeniu sterowania głównego.

19. Jakie znaczenie ma apertura numeryczna (NA) światłowodu krokowego?

Odpowiedź: Apertura numeryczna (NA) wskazuje zdolność włókna optycznego do zbierania światła. Im większa NA, tym silniejsza zdolność włókna optycznego do zbierania światła.

20. Jaka jest dwójłomność światłowodu jednomodowego?

Odpowiedź: W światłowodzie jednomodowym występują dwa ortogonalne tryby polaryzacji. Gdy światłowód nie jest całkowicie cylindrycznie symetryczny, dwa ortogonalne tryby polaryzacji nie są zdegenerowane. Wartość bezwzględna różnicy współczynnika refrakcji dwóch ortogonalnych trybów polaryzacji to dwójłomność.

21. Jakie są najczęstsze struktury kabli optycznych?

Odpowiedź: Istnieją dwa typy: typ warstwowo-skręcony i typ szkieletowy.

22. Jakie są główne elementy kabli optycznych?

Odpowiedź: Składa się on głównie z: rdzenia włókna, smaru do włókna optycznego, materiału osłony, PBT (politereftalan butylenu) i innych materiałów.

23. Do czego odnosi się pojęcie pancerza kabli optycznych?

Odpowiedź: Odnosi się do elementu ochronnego (zwykle stalowego drutu lub stalowego pasa) stosowanego w kablach optycznych do celów specjalnych (takich jak podmorskie kable optyczne itp.). Pancerz jest przymocowany do wewnętrznej osłony kabla optycznego.

24. Jakie materiały są stosowane na osłony kabli optycznych?

Odpowiedź: Osłona kabla optycznego wykonana jest zazwyczaj z polietylenu (PE) i polichlorku winylu (PVC), a jej funkcją jest ochrona rdzenia kabla przed czynnikami zewnętrznymi.

25. Wymień specjalne kable optyczne stosowane w systemach energetycznych.

Odpowiedź: Istnieją trzy główne rodzaje specjalnych kabli optycznych:

Przewód uziemiający kompozytowy optyczny (OPGW), włókno optyczne jest umieszczone w linii energetycznej stalowej aluminiowej konstrukcji linkowej. Zastosowanie przewodu optycznego OPGW ma podwójną funkcję przewodu uziemiającego i komunikacji, skutecznie poprawiając wskaźnik wykorzystania słupów i wież energetycznych.

Kabel optyczny owijany (GWWOP) – jeśli istnieje już linia przesyłowa, ten typ kabla optycznego jest owijany lub zawieszany na przewodzie uziemiającym.

Samonośny kabel optyczny (ADSS) charakteryzuje się dużą wytrzymałością na rozciąganie i może być zawieszony bezpośrednio pomiędzy dwoma wieżami energetycznymi, przy maksymalnej rozpiętości do 1000 m.

26. Ile struktur aplikacji jest dostępnych dla kabla optycznego OPGW?

Odpowiedź: Głównie: 1) Skręcona warstwa rury z tworzywa sztucznego + struktura rury aluminiowej; 2) Centralna rura z tworzywa sztucznego + struktura rury aluminiowej; 3) Struktura szkieletowa z aluminium; 4) Spiralna struktura rury aluminiowej; 5) Jednowarstwowa struktura rury ze stali nierdzewnej (centralna struktura rury ze stali nierdzewnej, skręcona struktura warstwy rury ze stali nierdzewnej); 6) Kompozytowa struktura rury ze stali nierdzewnej (centralna struktura rury ze stali nierdzewnej, skręcona struktura warstwy rury ze stali nierdzewnej).

27. Jakie są główne elementy przewodu linkowego znajdującego się poza rdzeniem kabla optycznego OPGW?

Odpowiedź: Składa się on z drutu AA (drutu ze stopu aluminium) i drutu AS (drutu stalowego pokrytego aluminium).

28. Jakie warunki techniczne należy spełnić przy wyborze modeli kabli optycznych OPGW?

Odpowiedź: 1) Nominalna wytrzymałość na rozciąganie (RTS) kabla OPGW (kN); 2) Liczba rdzeni światłowodowych (SM) kabla OPGW; 3) Prąd zwarciowy (kA); 4) Czas zwarcia (s); 5) Zakres temperatur (℃).

29. W jaki sposób ograniczony jest stopień gięcia kabla optycznego?

Odpowiedź: Promień gięcia kabla optycznego nie powinien być mniejszy niż 20-krotność średnicy zewnętrznej kabla optycznego, a w trakcie montażu (w stanie niestatycznym) nie powinien być mniejszy niż 30-krotność średnicy zewnętrznej kabla optycznego.

30. Na co należy zwrócić uwagę przy projektowaniu kabli optycznych ADSS?

Odpowiedź: Istnieją trzy kluczowe technologie: projekt mechaniczny kabla optycznego, określenie punktów zawieszenia oraz dobór i instalacja osprzętu pomocniczego.

31. Jakie są główne rodzaje złączek do kabli optycznych?

Odpowiedź: Złączki do kabli optycznych odnoszą się do sprzętu używanego do instalacji kabli optycznych, obejmującego głównie: zaciski naprężające, zaciski zawieszeniowe, izolatory drgań itp.

32. Złącza światłowodowe mają dwa podstawowe parametry wydajnościowe. Jakie one są?

Odpowiedź: Złącza światłowodowe są powszechnie znane jako złącza na żywo. W przypadku wymagań dotyczących wydajności optycznej złączy jednowłóknowych nacisk kładzie się na dwa najbardziej podstawowe parametry wydajności: tłumienie wtrąceniowe i tłumienie odbiciowe.

33. Ile jest typów powszechnie stosowanych złączy światłowodowych?

Odpowiedź: Zgodnie z różnymi metodami klasyfikacji złącza światłowodowe można podzielić na różne typy. Zgodnie z różnymi mediami transmisyjnymi można je podzielić na złącza światłowodowe jednomodowe i złącza światłowodowe wielomodowe; zgodnie z różnymi strukturami można je podzielić na różne typy, takie jak FC, SC, ST, D4, DIN, Biconic, MU, LC, MT itp.; zgodnie z powierzchnią styku złącza można je podzielić na FC, PC (UPC) i APC. Powszechnie stosowane złącza światłowodowe: złącze światłowodowe typu FC/PC, złącze światłowodowe typu SC, złącze światłowodowe typu LC.

34. W systemie komunikacji światłowodowej powszechnie występują następujące elementy. Proszę podać ich nazwy.

Adapter AFC, FC Adapter ST Adapter SC Złącze FC/APC, FC/PC Złącze SC Złącze ST Kabel krosowy LC Kabel krosowy MU Kabel krosowy jednomodowy lub wielomodowy.

35. Jaka jest tłumienność wtrąceniowa (ang. insertion loss, lub strata wtrąceniowa) złącza światłowodowego?

Odpowiedź: Odnosi się do wartości redukcji mocy efektywnej linii transmisyjnej spowodowanej włożeniem złącza. Dla użytkowników im mniejsza wartość, tym lepiej. ITU-T stanowi, że jej wartość nie powinna przekraczać 0,5 dB.

36. Jakie jest tłumienie odbicia (lub tłumienie odbicia, strata odbicia, strata odbicia) złącza światłowodowego?

Odpowiedź: Jest to miara składowej mocy wejściowej odbitej od złącza i zwróconej wzdłuż kanału wejściowego. Jej typowa wartość nie powinna być mniejsza niż 25 dB.

37. Jaka jest najważniejsza różnica między światłem emitowanym przez diody elektroluminescencyjne i lasery półprzewodnikowe?

Odpowiedź: Światło generowane przez diodę elektroluminescencyjną jest światłem niespójnym o szerokim widmie; światło generowane przez laser jest światłem spójnym o bardzo wąskim widmie.

38. Jaka jest najbardziej oczywista różnica między charakterystyką pracy diody elektroluminescencyjnej (LED) i lasera półprzewodnikowego (LD)?

Odpowiedź: LED nie ma progu, podczas gdy LD ma próg. Laser będzie generowany tylko wtedy, gdy wstrzyknięty prąd przekroczy próg.

39. Jakie są dwa powszechnie stosowane lasery półprzewodnikowe o pojedynczym trybie podłużnym?

Odpowiedź: Lasery DFB i DBR to lasery z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym, a ich sprzężenie zwrotne optyczne jest zapewniane przez siatkę Bragga z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym w wnęce optycznej.

40. Jakie są dwa główne typy optycznych urządzeń odbiorczych?

Odpowiedź: Są to głównie fotodiody (lampy PIN) i fotodiody lawinowe (APD).

41. Jakie czynniki są przyczyną powstawania szumów w systemach komunikacji światłowodowej?

Odpowiedź: Istnieje szum spowodowany niekwalifikowanym współczynnikiem wygaszenia, szum spowodowany losowymi zmianami natężenia światła, szum spowodowany drganiami czasowymi, szum punktowy i szum termiczny odbiornika, szum modowy światłowodu, szum spowodowany poszerzeniem impulsu spowodowanym przez dyspersję, szum rozkładu modowego LD, szum spowodowany ćwierknięciem częstotliwości LD i szum spowodowany odbiciem.

42. Jakie są główne włókna optyczne obecnie stosowane do budowy sieci transmisyjnych? Jakie są ich główne cechy?

Odpowiedź: Istnieją trzy główne typy, a mianowicie konwencjonalny światłowód jednomodowy G.652, światłowód jednomodowy z przesuniętą dyspersją G.653 i światłowód G.655 z niezerową przesuniętą dyspersją.

Włókno jednomodowe G.652 ma dużą dyspersję w paśmie C 1530-1565nm i paśmie L 1565-1625nm, generalnie 17-22psnm•km. Gdy szybkość systemu osiąga 2,5 Gbit/s lub więcej, wymagana jest kompensacja dyspersji. Przy 10 Gbit/s koszt kompensacji dyspersji systemu jest stosunkowo wysoki. Jest to najczęściej używane włókno w obecnej sieci transmisyjnej.

Dyspersja włókna G.653 z przesuniętą dyspersją w paśmie C i paśmie L wynosi na ogół -1-3,5 psnm•km, a przy 1550 nm dyspersja jest zerowa. Szybkość systemu może osiągnąć 20 Gbit/s i 40 Gbit/s, co czyni je najlepszym włóknem do transmisji na bardzo duże odległości przy pojedynczej długości fali. Jednak ze względu na jego charakterystykę zerowej dyspersji, efekty nieliniowe wystąpią, gdy DWDM jest używany do rozbudowy pojemności, co skutkuje przesłuchem sygnału i mieszaniem czterech fal FWM, więc nie nadaje się do DWDM.

Włókno G.655 o niezerowej przesuniętej dyspersji: Dyspersja włókna G.655 o niezerowej przesuniętej dyspersji w paśmie C wynosi od 1 do 6 psnm•km, a dyspersja w paśmie L wynosi zazwyczaj od 6 do 10 psnm•km. Dyspersja jest niewielka, co pozwala uniknąć obszaru dyspersji zerowej, tłumi czterofalowe mieszanie FWM i może być używane do rozbudowy pojemności DWDM i otwierania systemów dużej prędkości. Nowe włókno G.655 może rozszerzyć efektywny obszar do 1,5 do 2 razy w porównaniu ze zwykłymi włóknami optycznymi. Duży efektywny obszar może zmniejszyć gęstość mocy i zmniejszyć nieliniowy efekt włókna optycznego.

43. Jaka jest nieliniowość światłowodu?

Odpowiedź: Oznacza to, że gdy moc optyczna włókna przekroczy pewną wartość, współczynnik załamania światła włókna światłowodowego będzie nieliniowo zależny od mocy optycznej i nastąpi rozproszenie Ramana i Brillouina, powodując zmianę częstotliwości padającego światła.

44. Jaki wpływ na transmisję będzie miała nieliniowość światłowodu?

Odpowiedź: Efekt nieliniowy spowoduje pewne dodatkowe straty i zakłócenia, pogarszając wydajność systemu. Moc optyczna systemu WDM jest duża i jest przesyłana na dużą odległość wzdłuż włókna optycznego, więc występuje zniekształcenie nieliniowe. Istnieją dwa rodzaje zniekształceń nieliniowych: rozpraszanie wymuszone i refrakcja nieliniowa. Wśród nich rozpraszanie wymuszone obejmuje rozpraszanie Ramana i rozpraszanie Brillouina. Powyższe dwa rodzaje rozpraszania zmniejszają energię padającego światła, powodując straty. Można to zignorować, gdy moc wejściowa włókna jest mała.

45. Czym jest PON (pasywna sieć optyczna)?

Odpowiedź: PON to światłowodowa sieć pętlowa w lokalnej sieci dostępowej użytkownika, oparta na pasywnych urządzeniach optycznych, takich jak sprzęgacze i rozdzielacze.

Różne przyczyny tłumienia światłowodów

1. Głównymi czynnikami powodującymi tłumienie włókien są: czynniki wewnętrzne, zginanie, ekstruzja, zanieczyszczenia, nierówności i dokowanie.

Straty wewnętrzne: Są to wrodzone straty światłowodu, obejmujące: rozpraszanie Rayleigha, wrodzoną absorpcję itp.

Zginanie: Gdy światłowód jest zginany, część światła w nim zawartego ulega rozproszeniu, co powoduje straty.

Wytłaczanie: Strata spowodowana lekkim wygięciem podczas ściskania włókna światłowodowego.

Zanieczyszczenia: Zanieczyszczenia w światłowodzie pochłaniają i rozpraszają światło rozchodzące się we włóknie światłowodowym, powodując straty.

Nierówności: Straty spowodowane nierównomiernym współczynnikiem załamania światła w materiale światłowodowym.

Dokowanie: Straty powstające podczas dokowania włókien optycznych, na przykład: różne osie (wymagana współosiowość światłowodu jednomodowego wynosi mniej niż 0,8 μm), powierzchnia końcowa nie jest prostopadła do osi, powierzchnia końcowa jest nierówna, średnica rdzenia dokującego nie pasuje i jakość połączenia jest słaba.

Gdy światło wchodzi z jednego końca światłowodu i wychodzi z drugiego końca, intensywność światła słabnie. Oznacza to, że po propagacji sygnału optycznego przez światłowód część energii świetlnej ulega osłabieniu. Pokazuje to, że w światłowodzie znajdują się pewne substancje lub z jakiegoś powodu blokują one przejście sygnału optycznego. Jest to strata transmisji światłowodu. Tylko poprzez zmniejszenie strat światłowodu sygnał optyczny może przejść płynnie.

2. Klasyfikacja strat światłowodowych

Straty światłowodowe można podzielić na straty wrodzone światłowodu i straty dodatkowe spowodowane warunkami użytkowania po wytworzeniu światłowodu. Szczegółowe podziały są następujące:

Straty w światłowodach można podzielić na straty własne i straty dodatkowe.

Do strat wewnętrznych zalicza się straty rozpraszania, straty absorpcyjne i straty spowodowane niedoskonałością struktury włókna światłowodowego.

Dodatkowe straty obejmują straty na mikrozgięciach, straty na zgięciach i straty na spawach.

Wśród nich dodatkowe straty są sztucznie powodowane podczas układania światłowodu. W zastosowaniach praktycznych nieuniknione jest łączenie włókien optycznych jeden po drugim, a połączenie światłowodu spowoduje straty. Mikrozginanie, ściskanie i rozciąganie włókien optycznych również spowoduje straty. Wszystkie te straty są spowodowane warunkami użytkowania światłowodu. Głównym powodem jest to, że w tych warunkach tryb transmisji w rdzeniu światłowodu uległ zmianie. Dodatkowe straty można uniknąć w jak największym stopniu. Poniżej omawiamy tylko wrodzoną stratę światłowodu.

Wśród strat wrodzonych strat rozpraszanie i strata absorpcyjna są określone przez charakterystykę samego materiału światłowodu, a strata wrodzona powodowana przy różnych długościach fal roboczych jest również różna. Niezwykle ważne jest zrozumienie mechanizmu generowania strat i ilościowa analiza wielkości strat powodowanych przez różne czynniki dla rozwoju światłowodów o niskiej stratności i racjonalnego wykorzystania światłowodów.

3. Strata absorpcyjna materiałów

Materiały używane do produkcji światłowodów mogą absorbować energię świetlną. Po pochłonięciu energii świetlnej przez cząsteczki w materiale światłowodu, wibrują one i generują ciepło, a energia jest tracona, generując w ten sposób stratę absorpcyjną. Wiemy, że materia składa się z atomów i cząsteczek, a atomy składają się z jąder atomowych i elektronów pozajądrowych, a elektrony krążą wokół jądra atomowego po określonej orbicie. Jest to tak, jak Ziemia, na której żyjemy, i planety takie jak Wenus i Mars krążące wokół Słońca. Każdy elektron ma określoną energię i znajduje się na określonej orbicie, lub innymi słowy, każda orbita ma określony poziom energii.

Poziom energii orbitalnej blisko jądra jest niższy, a poziom energii orbitalnej dalej od jądra jest wyższy. Wielkość tej różnicy poziomów energii między orbitami nazywa się różnicą poziomów energii. Kiedy elektron przechodzi z niskiego poziomu energii do wysokiego poziomu energii, pochłania energię odpowiadającej różnicy poziomów energii.

W światłowodzie, gdy elektron o pewnym poziomie energii zostanie napromieniowany światłem o długości fali odpowiadającej różnicy poziomów energii, elektron na orbicie o niskim poziomie energii przejdzie na orbitę o wyższym poziomie energii. Ten elektron pochłania energię światła, co powoduje utratę absorpcji światła.

Dwutlenek krzemu (SiO2), podstawowy materiał do produkcji światłowodów, pochłania samo światło. Jeden z nich nazywa się absorpcją ultrafioletową, a drugi absorpcją podczerwoną. Obecnie komunikacja światłowodowa działa zazwyczaj tylko w zakresie długości fal od 0,8 do 1,6 μm, więc omawiamy straty tylko w tym zakresie roboczym.

Szczyt absorpcji generowany przez przejścia elektronowe w szkle kwarcowym wynosi około 0,1 do 0,2 μm długości fali w obszarze ultrafioletowym. Wraz ze wzrostem długości fali, jej efekt absorpcji stopniowo maleje, ale obszar dotknięty jest bardzo szeroki, do długości fali powyżej 1 μm. Jednak absorpcja ultrafioletowa ma niewielki wpływ na światłowody kwarcowe pracujące w obszarze podczerwieni. Na przykład w obszarze światła widzialnego o długości fali 0,6 μm absorpcja ultrafioletowa może osiągnąć 1 dB/km, a przy długości fali 0,8 μm spada do 0,2 do 0,3 dB/km, a przy długości fali 1,2 μm wynosi tylko około 0,1 dB/km.

Strata absorpcji podczerwieni światłowodu kwarcowego jest spowodowana drganiami molekularnymi materiału podczerwonego. W paśmie powyżej 2 μm występuje kilka szczytów absorpcji drgań.

Ze względu na wpływ różnych pierwiastków domieszkowych w światłowodzie, nie jest możliwe, aby światłowód kwarcowy miał okno niskich strat w paśmie powyżej 2 μm, a teoretyczna granica strat przy długości fali 1,85 μm wynosi ldB/km.

Badania wykazały również, że w szkle kwarcowym znajdują się pewne „niszczące cząsteczki”, które powodują problemy, głównie szkodliwe zanieczyszczenia metalami przejściowymi, takie jak miedź, żelazo, chrom, mangan itp. Ci „źli goście” łapczywie pochłaniają energię świetlną pod wpływem promieniowania świetlnego, przeskakują i powodują utratę energii świetlnej. Usunięcie „kłopotliwych” i chemiczne oczyszczenie materiałów używanych do produkcji światłowodów może znacznie zmniejszyć straty.

Innym źródłem absorpcji w światłowodzie kwarcowym jest hydroksyl (OHˉ). Według badań z tego okresu ludzie odkryli, że hydroksyl ma trzy piki absorpcji w paśmie roboczym światłowodu, które wynoszą 0,95 μm, 1,24 μm i 1,38 μm, spośród których strata absorpcji przy długości fali 1,38 μm jest najpoważniejsza i ma największy wpływ na światłowód. Przy długości fali 1,38 μm strata szczytu absorpcji generowana przez zawartość wodorotlenku wynoszącą zaledwie 0,0001 wynosi aż 33 dB/km.

Skąd pochodzą te wodorotlenki? Istnieje wiele źródeł wodorotlenków. Po pierwsze, w materiałach używanych do produkcji światłowodów znajdują się związki wody i wodorotlenków. Te związki wodorotlenków nie są łatwe do usunięcia podczas oczyszczania surowców i ostatecznie pozostają we włóknie optycznym w postaci wodorotlenków; po drugie, w wodorotlenkach używanych do produkcji światłowodów znajduje się niewielka ilość wody; po trzecie, woda powstaje w wyniku reakcji chemicznych podczas procesu produkcji światłowodów; po czwarte, para wodna jest wprowadzana przez wlot powietrza zewnętrznego. Jednak obecny proces produkcji rozwinął się do dość wysokiego poziomu, a zawartość wodorotlenków spadła do wystarczająco niskiego poziomu, że jej wpływ na światłowody można zignorować.

4. Strata rozpraszania

W ciemną noc, jeśli poświecisz latarką w niebo, możesz zobaczyć snop światła. Ludzie widzieli również grube snopy światła z reflektorów na nocnym niebie.

Dlaczego więc widzimy te wiązki światła? Dzieje się tak, ponieważ w atmosferze unosi się wiele maleńkich cząsteczek, takich jak dym i kurz. Kiedy światło pada na te cząsteczki, rozprasza się i rozchodzi we wszystkich kierunkach. Zjawisko to zostało po raz pierwszy odkryte przez Rayleigha, więc ludzie nazwali to rozpraszanie „rozpraszaniem Rayleigha”.

Jak dochodzi do rozpraszania? Okazuje się, że maleńkie cząsteczki, takie jak cząsteczki, atomy i elektrony, z których składa się materia, drgają z pewnymi wrodzonymi częstotliwościami i mogą emitować światło o długości fali odpowiadającej częstotliwości drgań. Częstotliwość drgań cząsteczki jest określana przez rozmiar cząsteczki. Im większa cząsteczka, tym niższa częstotliwość drgań i dłuższa długość fali uwalnianego światła; im mniejsza cząsteczka, tym wyższa częstotliwość drgań i krótsza długość fali uwalnianego światła. Ta częstotliwość drgań nazywana jest wrodzoną częstotliwością drgań cząsteczki. Jednak drgania te nie są generowane same z siebie, wymagają pewnej ilości energii. Gdy cząsteczka zostanie napromieniowana światłem o określonej długości fali, a częstotliwość napromieniowanego światła jest taka sama jak wrodzona częstotliwość drgań cząsteczki, spowoduje to rezonans. Elektrony w cząsteczce zaczynają drgać z tą częstotliwością drgań, co powoduje rozpraszanie światła przez cząsteczkę we wszystkich kierunkach, a energia padającego światła jest absorbowana i przekształcana w energię cząsteczki, a cząsteczka ponownie emituje energię w postaci energii świetlnej. Dlatego też osobom obserwującym z zewnątrz wydaje się, że światło uderza w cząstkę, a następnie rozchodzi się we wszystkich kierunkach.

Rozpraszanie Rayleigha występuje również w światłowodach, a strata światła spowodowana tym zjawiskiem nazywana jest stratą rozpraszania Rayleigha. Biorąc pod uwagę obecny poziom technologii produkcji światłowodów, można powiedzieć, że strata rozpraszania Rayleigha jest nieunikniona. Jednakże, ponieważ wielkość straty rozpraszania Rayleigha jest odwrotnie proporcjonalna do czwartej potęgi długości fali światła, wpływ straty rozpraszania Rayleigha można znacznie zmniejszyć, gdy światłowód działa w obszarze o dużej długości fali.

5. Wrodzona wada, nikt nie może pomóc

Struktura włókna optycznego jest niedoskonała, np. ma pęcherzyki, zanieczyszczenia lub nierówną grubość włókna optycznego, zwłaszcza nierówny interfejs rdzeń-płaszcz. Gdy światło dociera do tych miejsc, część światła jest rozpraszana we wszystkich kierunkach, powodując straty. Straty te można przezwyciężyć, udoskonalając proces produkcji włókna optycznego. Rozproszenie powoduje, że światło jest emitowane we wszystkich kierunkach, a część rozproszonego światła jest odbijana z powrotem w kierunku przeciwnym do propagacji włókna optycznego. Ta część rozproszonego światła może zostać odebrana na końcu padającym włókna optycznego. Rozproszenie światła powoduje utratę części energii świetlnej, co jest niepożądane. Jednak zjawisko to może być również wykorzystane przez nas, ponieważ jeśli przeanalizujemy siłę odebranej części światła na końcu nadawczym, możemy sprawdzić punkty przerwania, defekty i straty tego włókna optycznego. W ten sposób, dzięki ludzkiej pomysłowości, złe rzeczy mogą zostać zamienione w dobre rzeczy.

Strata światłowodu W ostatnich latach komunikacja światłowodowa jest szeroko stosowana w wielu dziedzinach. Ważnym problemem w realizacji komunikacji światłowodowej jest jak największe ograniczenie strat światłowodu. Tak zwana strata odnosi się do tłumienia światłowodu na jednostkę długości, a jednostką jest dB/km. Poziom strat światłowodu bezpośrednio wpływa na odległość transmisji lub odległość między stacjami przekaźnikowymi. Dlatego zrozumienie i ograniczenie strat światłowodu ma duże znaczenie praktyczne dla komunikacji światłowodowej.

1. Strata absorpcyjna włókna optycznego

Jest to spowodowane absorpcją energii świetlnej przez materiały światłowodowe i zanieczyszczenia. Pochłaniają one energię świetlną w postaci energii cieplnej w światłowodzie, co stanowi istotną stratę w stratach światłowodowych. Straty absorpcyjne obejmują następujące elementy:

① Strata absorpcji wewnętrznej materiału Jest to strata spowodowana wrodzoną absorpcją materiału. Ma dwa pasma, jedno w obszarze 8-12μm bliskiej podczerwieni. Absorpcja wewnętrzna tego pasma jest spowodowana wibracjami. Drugie pasmo absorpcji wewnętrznej materiału znajduje się w paśmie ultrafioletowym. Gdy absorpcja jest bardzo silna, jej ogon zostanie przeciągnięty do pasma 0,7-1,1μm.

②Strata absorpcyjna spowodowana domieszkami i jonami zanieczyszczeń Materiały światłowodowe zawierają metale przejściowe, takie jak żelazo, miedź, chrom itp. Mają własne piki absorpcyjne i pasma absorpcyjne i zmieniają się wraz ze stanami walencyjnymi. Strata światłowodu spowodowana absorpcją jonów metali przejściowych zależy od ich stężenia. Ponadto obecność OH- również powoduje stratę absorpcyjną. Podstawowy pik absorpcyjny OH- wynosi około 2,7 μm, a pasmo absorpcyjne mieści się w zakresie 0,5-1,0 μm. W przypadku czystego światłowodu kwarcowego stratę spowodowaną zanieczyszczeniami można zignorować.

③ Absorpcja strat w wyniku defektów atomowych Gdy materiał światłowodowy zostanie podgrzany lub silnie napromieniowany, będzie stymulowany do wytwarzania defektów atomowych, co doprowadzi do absorpcji światła i strat, ale ogólnie rzecz biorąc efekt ten jest bardzo mały.

2. Straty rozpraszania światłowodu

Rozproszenie wewnątrz włókna optycznego zmniejszy moc transmisji i wygeneruje straty. Najważniejszym rozproszeniem jest rozpraszanie Rayleigha, które jest spowodowane zmianami gęstości i składu wewnątrz materiału włókna optycznego.

Podczas procesu nagrzewania materiału światłowodowego, ze względu na mieszanie termiczne, ściśliwość atomów jest nierównomierna, gęstość materiału jest nierównomierna, a następnie współczynnik załamania światła jest nierównomierny. Ta nierównomierność jest ustalana podczas procesu chłodzenia, a jej rozmiar jest mniejszy niż długość fali świetlnej. Kiedy światło napotyka te nierównomierne materiały, które są mniejsze niż długość fali świetlnej i mają losowe fluktuacje podczas transmisji, kierunek transmisji ulega zmianie, następuje rozpraszanie i strata. Ponadto nierównomierne stężenie tlenków zawartych we włóknie optycznym i nierównomierne domieszkowanie mogą również powodować rozpraszanie i stratę.

3. Straty rozpraszania falowodu

To rozpraszanie spowodowane przypadkowym zniekształceniem lub szorstkością interfejsu. W rzeczywistości jest to konwersja modów lub sprzężenie modów spowodowane zniekształceniem powierzchni lub szorstkością. Jeden mod będzie generował inne mody transmisji i mody promieniowania ze względu na fluktuację interfejsu. Ponieważ tłumienie różnych modów przesyłanych w światłowodzie jest różne, w procesie konwersji modów na duże odległości, mod o niskim tłumieniu staje się modem o dużym tłumieniu. Po ciągłej konwersji i konwersji odwrotnej, chociaż strata każdego modu będzie zrównoważona, mod jako całość będzie generował dodatkową stratę, to znaczy, że dodatkowa strata jest generowana ze względu na konwersję modu. Ta dodatkowa strata to strata rozpraszania falowodu. Aby zmniejszyć tę stratę, konieczne jest ulepszenie procesu produkcji światłowodów. W przypadku światłowodów, które są dobrze naciągnięte lub wysokiej jakości, tę stratę można zasadniczo zignorować.

4. Straty promieniowania spowodowane zginaniem włókien światłowodowych

Światłowód jest miękki i można go wyginać. Jednak po wygięciu do pewnego stopnia, chociaż światłowód może przewodzić światło, zmieni ścieżkę transmisji światła. Konwersja z trybu transmisji do trybu promieniowania powoduje, że część energii świetlnej przenika do płaszcza lub przechodzi przez płaszcz, stając się trybem promieniowania i wycieka, generując w ten sposób straty. Gdy promień gięcia jest większy niż 5 do 10 cm, straty spowodowane zginaniem można zignorować.

Źródło: Dongguan HX Fiber Technology Co., Ltd