Czynniki wpływające na zniekształcenie sygnału w światłowodzie

Gdyby włókno światłowodowe byłoby idealnym medium transmisyjnym, to sygnały wejściowy i wyjściowy byłyby identyczne. Niestety światłowód powoduje zniekształcenie przesyłanej informacji,

_flecz w nieporównywalnie mniejszym stopniu niż w przypadku kabli miedzianych. Przesyłany impuls optyczny podlega zjawiskom tłumienia, dyspersji i opóźnienia. Opóźnienie przesyłanego impulsu nie stanowi dużego problemu o ile jest ono stałe i mieści się w wyznaczonych granicach. Jednak podstawowymi ograniczeniami jakości transmitowanego sygnału w torze światłowodowym są tłumienie i dyspersja. To pierwsze zjawisko powoduje zmniejszenie mocy sygnału, przez co wprowadza ograniczenie długości światłowodu oraz odległości miedzy nadajnikiem i odbiornikiem. Natomiast drugie powoduje zmianę kształtu sygnału poprzez jego „rozmycie”, które rośnie wraz ze wzrostem odległości transmisji. Takie rozszerzenie się impulsu może powodować błędy w odbiorze sygnału.

1. Tłumienie

Fakt zastosowania kabli światłowodowych do transmisji sygnałów na duże odległości powoduje konieczność minimalizacji tłumienia. W światłowodzie szklanym można wyróżnić dwa zasadnicze mechanizmy powodujące tłumienie sygnału: absorpcję i rozpraszanie. Oba te zjawiska zależą od długości fali. Absorpcja jest bardziej odczuwalna podczas transmisji fal o długościach λ > 1,6 µm, natomiast rozpraszanie jest elementem dominującym w przypadku przedziału 0,6 ÷ 1,6 µm.

Podczas transmisji wykorzystującej fale o długościach mieszczących się w zakresie widzialnym, głównym źródłem tłumienia w światłowodach jest rozpraszanie Rayleigha. Jest ono związane z faktem występowania fluktuacji współczynnika załamania światła i polega na tym, iż na niewielkich niejednorodnościach materiału foton jest pochłaniany i od razu wypromieniowany w losowym kierunku bez utraty swej energii.

Efekt rozpraszania Rayleigha zmienia się z długością fali proporcjonalnie do 1/λ⁴ [3].Tłumienie w światłowodzie wykonanym z SiO₂ spowodowane procesem rozpraszania ma wartość w przybliżeniu 3 dB/km dla fal o długości λ=0,7 µm i silnie maleje przy wzroście długości fali. Można również zauważyć, iż wprowadzenie domieszek do szkła w celu otrzymania wyższego współczynnika załamania rdzenia powoduje zwiększenie efektu rozpraszania Rayleigha. Na rysunku 21 pokazano wpływ zmian domieszkowania na wartość tłumienia wywołanego przez rozpraszanie Rayleigha.

Przy większych długościach fali wpływ rozpraszania Rayleigha staje się pomijalnie mały, natomiast głównym źródłem tłumienia staje się absorpcja. Sygnał optyczny przechodząc przez światłowód wywiera wpływ na jego strukturę, powodując drgania cząsteczek, z których jest zbudowany. Ruch ten z kolei jest źródłem ciepła. W takim przypadku część energii światła zostaje stracona w wyniku jej zamiany w energię cieplną. Długość fali odpowiadająca częstotliwości rezonansowej powstałych drgań to ok. 9 μm. Przy tej wartości występuje maksimum tłumienia co może powodować, iż warstwy szkła nawet o niewielkiej grubości mogą być całkowicie nieprzejrzyste dla tej długości fali. W przypadku mniejszych wartości długości fali λ wpływ samoistnej absorpcji jest dużo mniejszy, aż staje się ona pomijanie mała dla λ < 1,6 μm.

W powyższych rozważaniach założono, iż światłowód jest idealny i nie posiada żadnych zanieczyszczeń i defektów. Jednak w rzeczywistych włóknach w czasie procesu technologicznego trudno jest usunąć wodę zawartą w szkle, a ściśle rzecz biorąc jony OH^–. Druga harmoniczna drgań jonów OH^– odpowiada długości fali λ = 1,39 μm i dlatego wokół tej wartości następuje wzrost tłumienia.

Rys.21. Zmiany tłumienności jednostkowej wywołanej rozpraszaniem Rayleigha na długości fali 1μm przy zmianach domieszkowania [2].

 
Rys.22. Widmo tłumienności falowodu kwarcowego [5].

Na rysunku 22 przedstawiono typowy przebieg tłumienia światłowodu z funkcji długości fali. Można tam zaobserwować minima tłumienia znajdujące się wokół długości fali λ = 1,31 μm oraz λ = 1,55 μm. Przedziały te są nazywane odpowiednio drugim i trzecim oknem transmisyjnym. Istnieje również pierwsze okno transmisyjne znajdujące się wokół długości fali λ = 0,85 μm. Było one jednak wykorzystywane jedynie w początkowym okresie rozwoju techniki światłowodowej ze względu istniejące wówczas możliwości detektorów i źródeł światła.
Krzywa tłumienia pokazana na rysunku 22 dotyczy tylko światłowodów jednomodowych. W przypadku światłowodów wielomodowych wartość tłumienia jest nieco większa, ponieważ występuje w nich dodatkowe tłumienie związane z konwersją modów oraz innymi procesami. Przy wyznaczaniu całkowitego tłumienia linii światłowodowej należałoby uwzględnić także tłumienia cząstkowe poszczególnych połączeń włókien światłowodowych oraz tłumienia wprowadzane przez urządzenia pośrednie i końcowe na trasie sygnału optycznego.

2. Dyspersja

Dyspersja jest terminem posiadającym wiele znaczeń. W optyce jest to zależność współczynnika załamania światła od długości fali. Światło białe jest zbiorem skupionych w jedną wiązkę monochromatycznych promieni o barwie od czerwonej do fioletowej. Wiązka światła białego padając na pryzmat ulega rozszczepieniu, w wyniku czego promień świetlny po przejściu przez pryzmat jest rozłożony na szereg wyodrębnionych promieni [1]. Jest to związane z różnymi długościami fali dla różnych barw promieni świetlnych a tym samym z różnymi wartościami współczynnika załamania światła dla poszczególnych barw.

W światłowodzie zjawisko dyspersji powoduje rozszerzenie i „rozmycie” przesyłanego sygnału a w rezultacie jest przyczyną ograniczenia odległości transmisji, zmniejszenia jej szybkości oraz możliwego błędnego odbioru informacji. Wyróżnia się dwa główne typy dyspersji: chromatyczną i modową. Ponadto dyspersja chromatyczna dzieli się na materiałową i falowodową.

2.1.    Dyspersja chromatyczna

Dyspersja chromatyczna to rodzaj dyspersji związanej z niezerową szerokością widmową źródła światła, która obejmuje zarówno zjawiska związane z dyspersją falowodową jak i materiałową [2]. Do wyjaśnienia zjawiska dyspersji chromatycznej potrzebnych jest kilka podstawowych pojęć, takich jak: stała fazowa β (wyprowadzona wcześniej), prędkość fazowa ν_f oraz prędkość grupowa v_g.

Na podstawie stałej fazowej można wyznaczyć prędkość fazową i grupową światła:

Rys.23. Rozchodzenie się światła w światłowodzie wielomodowym.

Prędkość fazowa opisuje szybkość z jaką porusza się powierzchnia stałej fazy danego modu w światłowodzie, natomiast prędkość grupowa określa szybkość z jaką porusza się obwiednia sygnału harmonicznego w światłowodzie. Inaczej mówiąc jest to prędkość, z jaką przekazywana jest energia [2].