#6 AIS – Światłowody – podstawowe czynniki

25-05-2020


z cyklu (AIS) Akademia Infrastruktury Sieciowej DCNart

Transmisja światła w światłowodach wykorzystuje trzy podstawowe elementy: nadajnik, odbiornik i medium transmisyjne przez które sygnał jest przekazywany z jednego do drugiego. Zastosowanie światłowodu wprowadza tłumienie i dyspersję do systemu. Tłumienie ma tendencję do zwiększania wymagań mocy nadajnika, aby spełnić wymagania mocy odbiornika. Z drugiej strony dyspersja ogranicza przepustowość danych, które mogą być przesłane przez światłowód.

W światłowodowych systemach występują trzy główne czynniki mające wpływ na transmisję danych.

  1. Tłumienie – kiedy sygnał przechodzi przez światłowód traci on swoją moc na skutek absorbcji (pochłaniania), rozproszenia oraz innych strat promieniowania. W pewnym momencie poziom mocy sygnału może stać się zbyt słaby, aby odbiornik mógł rozróżnić sygnał optyczny od szumu tła.
  2. Szerokość pasma – ponieważ sygnał świetlny składa się z różnych częstotliwości, włókno światłowodowe ograniczy najwyższe i najniższe częstotliwości oraz nośność informacji.
  3. Dyspersja – gdy sygnał świetlny przechodzi przez włókno światłowodowe impulsy świetlne rozmywają się lub rozszerzają i tym samym ograniczają nośność informacji przy bardzo dużych przepływnościach lub bardzo dużych odległościach.

Tłumienie

Gdy sygnał świetlny wędruje poprzez światłowód, zmniejsza się jego poziom mocy. Spadek poziomu mocy wyrażamy w dB lub jako współczynnik strat na jednostkę odległości dB/km.

Dwoma głównymi mechanizmami stratności w transmisji światła w światłowodzie jest absorbcja i rozpraszanie światła.

Absorbcja światła

Światło jest pochłaniane przez materiał, z którego jest wykonane włókno, ponieważ jego energia jest przekształcana w ciepło z powodu rezonansu molekularnego i różnych zanieczyszczeń.

Rozpraszanie Rayleigha

Rozpraszanie, głównie rozpraszanie Rayleigha, również przyczynia się do osłabienia mocy sygnału optycznego. Rozpraszanie powoduje rozdział energii światła we wszystkich kierunkach, przy czym część światła ucieka z rdzenia włókna. Niewielka część tej energii świetlnej jest odbijana z powrotem w kierunku nadajnika i nazywana jest rozpraszaniem wstecznym.

Rozpraszanie światła do przodu (rozpraszanie Ramana) i rozpraszanie światła do tyłu (rozpraszanie Brillouina) to dwa dodatkowe zjawiska rozpraszania, które mogą wystąpić w materiałach optycznych w warunkach dużej mocy.

Rozproszenie wsteczne

Tłumienie zależy od rodzaju światłowodu i długości fali. Na przykład rozpraszanie Rayleigha jest odwrotnie proporcjonalne do czwartej potęgi długości fali. Jeżeli widmo absorpcji włókna jest wykreślane w funkcji długości fali lasera, można zidentyfikować pewne cechy włókna. Poniższy wykres ilustruje zależność między długością fali wstrzykiwanego światła a całkowitym tłumieniem włókna.

Tłumienie włókna światłowodowego w funkcji długości fali świetlnej

Główne długości fal transmisji telekomunikacyjnej odpowiadają punktom na wykresie, na których tłumienie jest minimalne. Te długości fal są znane jako okna telekomunikacyjne. Standard G.692 w ITU-T zdefiniował dodatkowe okna, zwane pasmami, które są dedykowane dla systemów transmisji DWDM.

Symbol OH zidentyfikowany na wykresie wskazuje, że przy długościach fali 950nm, 1244nm i 1383nm obecność jonów wodoru i wodorotlenku w materiale kabla światłowodowego powoduje wzrost tłumienia. Jony te powstają w wyniku obecności wody, która dostaje się do materiału kabla w wyniku reakcji chemicznej w procesie produkcyjnym lub wilgoci w środowisku. Zmiana tłumienia w zależności od długości fali wynikająca z piku wodnego dla standardowego jednomodowego kabla światłowodowego występuje głównie w okolicach 1383nm. Ostatnie postępy w procesach produkcji kabla światłowodowego pokonały pik wodny o długości 1383nm i spowodowały powstanie światłowodu o niskiej wartości szczytowej.

Mechanizmy strat w połączeniach światłowodowych

W przypadku połączeń światłowodowych do strat wynikających z samej budowy włókna należy dodać dodatkowe elementy które generują nam pasywne połączenia w torze transmisyjnym. Dopiero wtedy otrzymamy rzeczywistą tłumienność sygnału. To tłumienie (lub strata) dla danej długości fali definiuje się jako stosunek mocy wejściowej do mocy wyjściowej mierzonego włókna. Jest ogólnie wyrażany w decybelach (dB).

Straty we włóknie światłowodowym

Mikro i makro zgięcia

Mikro i makro zgięcia są częstymi problemami w instalowanych systemach kablowych, ponieważ mogą powodować utratę mocy sygnału.

Mikro-zgięcie występuje, gdy rdzeń włókna odchyla się od osi i może być spowodowany wadami produkcyjnymi, ograniczeniami mechanicznymi podczas procesu układania włókna oraz zmianami środowiskowymi (temperatura, wilgotność lub ciśnienie) podczas życia włókna.

Makro-zgięcie odnosi się do dużego zgięcia światłowodu (o promieniu większym niż 2 mm). Poniższy wykres pokazuje wpływ promienia zgięcia (R) na utratę sygnału w funkcji długości fali. Ślad „µc” odnosi się do idealnego włókna bez zginania.

Skutki makro-zginania włókna

Na przykład utrata sygnału dla światłowodu o promieniu gięcia makro 25 mm będzie wynosić 2dB przy 1625nm, ale tylko 0,4dB przy 1550nm.

Innym sposobem obliczenia utraty sygnału jest dodanie typowego współczynnika tłumienia światłowodu (zgodnie z określoną długością fali, jak wskazano poniżej) do straty zgięcia.

Typowe współczynniki tłumienia dla włókien zgiętych i nie zgiętych

Jak pokazano na powyższym wykresie, jeżeli wykorzystywane jest pasmo L (1565–1625nm) lub pasmo U (1625–1675nm), wówczas konieczne jest badanie strat przy długościach fal transmisyjnych do górnej granicy pasma. Z tego powodu opracowano nowy sprzęt testowy z możliwościami testowymi 1625nm.

Szerokość pasma

Szerokość pasma jest definiowana jako szerokość zakresu częstotliwości, który może być transmitowany przez światłowód. Szerokość pasma określa maksymalną przepustowość przesyłanych informacji w kanale, który może być przenoszony wzdłuż światłowodu na określonej odległości. Szerokość pasma wyrażona jest w MHz.km. W światłowodzie wielomodowym szerokość pasma jest ograniczona głównie przez dyspersję modalną; podczas gdy prawie nie ma ograniczenia przepustowości w światłowodach jednomodowych.

Szerokość pasma dla różnych typów światłowodów

W kolejnym artykule zajmiemy się tematem dyspersji. Zapraszamy serdecznie.

Newsletter