Depoissinais ópticos viajama uma certa distância através da fibra óptica, eles sofrem atenuação e distorção, fazendo com que os pulsos do sinal óptico de entrada e saída sejam diferentes. Isto se manifesta como atenuação de amplitude e alargamento da forma de onda dos pulsos ópticos. A causa deste fenômeno é a presença de perda e dispersão dentro da fibra óptica. Perda e dispersão são os parâmetros mais importantes que descrevem as características de transmissão das fibras ópticas, limitando a distância de transmissão e a capacidade do sistema. Esta seção discute principalmente os mecanismos e características de perda e dispersão da fibra óptica.
★Características das fibras ópticas(parte 2)
Características de perda de fibra óptica
A perda de fibra óptica leva à atenuação do sinal, portanto, a perda de fibra óptica também é chamada de atenuação. À medida que a distância aumenta na fibra óptica, a intensidade do sinal luminoso diminui, conforme segue: P(z)=P(0) /10 - (4) onde P(z) é a potência óptica na distância de transmissão z; P(0) é a potência óptica de entrada na fibra óptica, ou seja, a potência óptica injetada em z=0; (λ) é o coeficiente de atenuação da fibra óptica no comprimento de onda em dB/km; e L é a distância de transmissão.
Quando t=L, o coeficiente de atenuação da fibra é definido como
(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]
Quando o comprimento de onda de trabalho λ é dB, se o coeficiente de atenuação for medido em unidades de dB por quilômetro, então A(λ) (a unidade é dB) é expresso como:
UMA(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]
A comunicação por fibra óptica desenvolveu-se juntamente com melhorias contínuas na fabricação de fibra óptica, especificamente a redução da perda de fibra. A perda de fibra é um dos principais fatores que determinam a distância do relé em um sistema de comunicação de fibra óptica. Muitos fatores contribuem para a perda de fibra, principalmente perda de absorção, perda de espalhamento e perda adicional, e os mecanismos subjacentes a essas perdas são bastante complexos. A discussão a seguir usa fibra óptica de sílica como exemplo para ilustrar as diversas causas de perda.
Perda de absorção
A perda de absorção inclui principalmente absorção intrínseca, absorção de impurezas (radicais OH) e absorção de defeitos estruturais. A absorção intrínseca inclui absorção infravermelha e ultravioleta.
A absorção infravermelha é a absorção da energia luminosa causada pela ressonância molecular quando a luz passa através do vidro de quartzo composto de SiO2. Por exemplo, os picos de absorção de Si-O estão em 9,1 μm, 12,5 μm e 21,3 μm, e a perda de absorção da fibra óptica chega a 10 dB/km em 9,1 μm. A absorção ultravioleta é a energia absorvida quando os elétrons são excitados para a transição para níveis de energia mais elevados pelas ondas de luz. Essa absorção ocorre na região ultravioleta e, portanto, é geralmente chamada de absorção ultravioleta. Os materiais de vidro contêm íons de metais de transição, como ferro e cobre, bem como íons OH-. A absorção de impurezas é a perda causada pela absorção de energia luminosa por etapas de elétrons geradas por vibrações de íons sob excitação de ondas de luz. Por exemplo, em 1,39 μm, a atenuação é de 60 dB/km quando a concentração de íons OH- é 1 × 10⁻⁶.
Perda de dispersão
A perda de espalhamento é a perda que irradia energia luminosa para fora da fibra óptica na forma de espalhamento. Isso é causado pela densidade-não uniforme dentro da fibra. Os principais tipos de perda de espalhamento em fibras ópticas incluem espalhamento Rayleigh, espalhamento Mie, espalhamento Brillouin estimulado, espalhamento Raman estimulado, defeitos estruturais adicionais e espalhamento por flexão e espalhamento por vazamento.
Durante a fabricação da fibra óptica, o movimento térmico das moléculas no vidro fundido causa flutuações na densidade e no índice de refração dentro de sua estrutura, o que por sua vez causa a dispersão da luz. A dispersão causada por partículas muito menores que o comprimento de onda da luz é chamada de dispersão Rayleigh; O espalhamento causado por partículas do mesmo comprimento de onda da luz é chamado de espalhamento de Mie.
O espalhamento Rayleigh é a principal causa da perda de fibra. O espalhamento Rayleigh exibe a propriedade de ser proporcional a 1/λ do comprimento de onda curto, ou seja, R=K/λ. A constante de proporcionalidade K está relacionada à estrutura e composição do vidro. Geralmente, quanto maior a temperatura de transição vítrea e mais complexa sua composição, maior será a perda de espalhamento Rayleigh.
O espalhamento Rayleigh é influenciado pela intensidade da luz incidente. O espalhamento estimulado de Brillouin e o espalhamento estimulado de Raman, por outro lado, ocorrem quando a densidade de energia luminosa excede um determinado valor alto e são produzidos pela interação entre a luz e o meio.
Perdas adicionais
Perdas adicionais (ou perdas de aplicação) são perdas originadas de fontes externas, como aquelas causadas pela torção da fibra ou pressão lateral durante a construção, instalação e operação, resultando em macro-curvatura e micro{1}}curvatura da fibra.
As causas da perda de fibra estão resumidas na Figura:
| Categoria | Sub-categoria | Detalhes/Descrição |
|---|---|---|
| Perda de absorção | Absorção Intrínseca | • Absorção infravermelha • Absorção ultravioleta |
| Absorção Extrínseca | Causada por impurezas como Fe, Cu, metais de transição e absorção vibracional de OH⁻ | |
| Perda de dispersão | Dispersão Linear | |
| - Espalhamento Rayleigh | Espalhamento por partículas muito menores que o comprimento de onda óptico | |
| - Espalhamento Mie | Dispersão por partículas comparáveis em tamanho ao comprimento de onda óptico | |
| Dispersão Não Linear | ||
| - Espalhamento de Brillouin estimulado | Ocorre quando a densidade de potência óptica excede um limite inferior | |
| - Espalhamento Raman estimulado | Ocorre quando a densidade de potência óptica excede um limite mais alto | |
| Perda Adicional | - | Perda causada por microflexão, macroflexão, alongamento, compressão e deformação mecânica |
Características de dispersão de fibras ópticas
Na física, dispersão refere-se ao fenômeno em que luz de cores diferentes se dispersa após passar por um meio transparente. Um feixe de luz branca é dividido em uma faixa de sete{1}}cores depois de passar por um prisma. Isso ocorre porque o vidro tem índices de refração diferentes para cores diferentes (frequências diferentes ou comprimentos de onda diferentes). Quanto maior o comprimento de onda (ou menor a frequência), menor será o índice de refração do vidro; quanto menor o comprimento de onda (ou maior a frequência), maior o índice de refração. Em outras palavras, o índice de refração do vidro é função da frequência (ou comprimento de onda) da onda de luz. Quando a luz branca composta por cores diferentes incide no mesmo ângulo θ, de acordo com a lei da refração (n=sinθ/n²), diferentes cores de luz terão diferentes ângulos de refração devido aos diferentes valores de n², separando assim as diferentes cores da luz, resultando em dispersão. Como n=c/n (onde c é a velocidade da luz, c=3 × 10⁻⁶ m/s), é claro que diferentes cores de luz viajam em diferentes velocidades dentro do vidro.
Na teoria da propagação da fibra óptica, o significado do termo "dispersão" foi ampliado. Nas fibras ópticas, os sinais são transportados e transmitidos por ondas de luz de muitos modos ou frequências diferentes. Quando o sinal chega ao terminal, os diferentes modos ou frequências das ondas de luz apresentam diferenças de atraso na transmissão, causando distorção do sinal. Este fenômeno é chamado coletivamente de dispersão. Para sinais digitais, a dispersão causa o alargamento do pulso após a propagação por uma certa distância através da fibra. Em casos graves, os pulsos consecutivos se sobreporão, formando interferência intersimbólica. Portanto, a dispersão determina a largura de banda de transmissão da fibra óptica e limita a taxa de transmissão do sistema ou a distância do repetidor. Dispersão e largura de banda são as mesmas características das fibras ópticas descritas de diferentes perspectivas.
Com base nas causas da dispersão, a dispersão da fibra óptica é dividida principalmente em: dispersão modal, dispersão de material, dispersão de guia de ondas e dispersão de modo de polarização, que serão apresentadas a seguir.
Dispersão de modo
A dispersão modal geralmente existe em fibras multimodo. Como vários modos coexistem em uma fibra multimodo e as velocidades de propagação do grupo de diferentes modos ao longo do eixo da fibra são diferentes, eles inevitavelmente chegarão ao terminal em momentos diferentes, resultando em uma diferença de atraso de tempo e formando dispersão intermodal, causando assim o alargamento da largura de pulso. O alargamento do pulso devido à dispersão modal é mostrado na Figura 2-10. Para uma fibra-de modo único ideal, uma vez que apenas um modo (modo fundamental - modo LP ou HE) é transmitido, não há dispersão modal, mas existe dispersão no modo de polarização.
Agora, estimamos a dispersão modal máxima de uma fibra multimodo de índice-degrau. A dispersão modal de uma fibra multimodo de índice-degrau é mostrada na Figura 2-11. Em uma fibra multimodo de índice-degrau, os dois raios de propagação mais rápidos e mais lentos são o raio ① que se propaga ao longo do eixo e o raio ② incidente em um ângulo crítico de 0 grau, respectivamente. Portanto, a dispersão modal máxima em uma fibra multimodo de índice degrau é a diferença de tempo entre o tempo que o raio ② (Tmax) leva e o tempo que o raio ① (Tmin) leva para chegar ao terminal, ΔTmux: ΔTmux = Tmáx. / Tmin
De acordo com a óptica geométrica, em uma fibra óptica de comprimento L, sejam as velocidades dos raios de luz ① e ② ao longo da direção axial c/n e sinθ·c/n, respectivamente. Portanto, a dispersão modal da fibra óptica é...
Em fibras ópticas fracamente guiadas (fibras onde nie nidiferem muito pouco), A=(ni-n)/n. Se Δ=1%, ni= 1.5 para fibras ópticas de sílica, e o comprimento da fibra é de 1 km, então a dispersão intermodal máxima ΔTmpode ser calculado como 50 ns. Portanto, é evidente que quanto maior o comprimento da fibra, mais severa é a dispersão intermodal; e quanto maior for a diferença relativa do índice de refração Δ, mais severa será a dispersão intermodal.
Dispersão de materiais
Como o índice de refração dos materiais de fibra óptica varia com o comprimento de onda da luz, a velocidade do grupo de diferentes frequências do sinal óptico difere, causando uma diferença no atraso de transmissão, um fenômeno conhecido como dispersão do material. Esta dispersão depende das características do comprimento de onda do índice de refração do material de fibra óptica e da largura de linha da fonte de luz.
Em sistemas de comunicação digital de fibra óptica, a luz de saída da fonte de luz real não tem um único comprimento de onda, mas tem uma certa largura de linha espectral. Como o índice de refração do material de fibra é uma função do comprimento de onda, a velocidade de propagação da luz dentro dele (λ)=c/n(λ) também varia com o comprimento de onda. Quando um pulso de luz emitido por uma fonte de luz com uma certa largura de linha espectral incide em uma fibra-monomodo e se propaga, pulsos de luz de diferentes comprimentos de onda terão diferentes velocidades de propagação, resultando em uma diferença de atraso de tempo quando atingem a extremidade de saída, causando assim o alargamento do pulso. Este é o mecanismo de dispersão do material.
Se a velocidade do grupo for conhecida como u=da/dB, então o atraso do grupo por unidade de comprimento é T=1/v,=n,/c. Portanto, a dispersão do material de uma fibra óptica de comprimento L é...
Na fórmula, c é a velocidade da luz no vácuo; λ é o índice de refração do núcleo da fibra; λ é o comprimento de onda da luz; e Aλ é a largura de linha espectral da fonte de luz, onde Aλ=λ - λ, representando a faixa de comprimento de onda centrada em A. Geralmente, o coeficiente de dispersão é usado para medir a magnitude da dispersão. O coeficiente de dispersão D (unidade: ps/(nm·km)) é definido como...
Pode-se observar que o coeficiente de dispersão é a dispersão causada por uma fonte de luz com largura de linha espectral unitária se propagando em uma unidade de comprimento de fibra óptica. Se o coeficiente de dispersão do material da fibra óptica for conhecido, a dispersão do material pode ser facilmente calculada como ΔTm=DmAAL.
Exemplo 2-1: Suponha que o coeficiente máximo de dispersão de material de uma fibra óptica em um comprimento de onda de 1,31 m seja D=3.5ps/(nm·km). Se um laser semicondutor com comprimento de onda central de 1,31 µm for usado para gerar luz de transmissão com largura de linha espectral de λ=4 nm, calcule a dispersão do material causada pela propagação dessa luz em um comprimento de fibra óptica de 1 km.
Solução: A dispersão do material da fibra óptica pode ser facilmente calculada como:
Tm = DmLΔA=3.5ps/(nm·km) x 1km x 4nm=0.014ns=14ps
Como visto no Exemplo 2-1, a dispersão do material é relativamente pequena, ainda menor que a dispersão modal de uma fibra multimodo de índice degrau. Deve-se notar também que o coeficiente de dispersão de uma fibra óptica (não apenas o coeficiente de dispersão do material) pode ser positivo ou negativo. Na fibra óptica, o atraso do grupo (A) aumenta com o comprimento de onda da portadora; em outras palavras, as ondas de luz de comprimento de onda mais curto se propagam mais rapidamente. Nesse caso, o coeficiente de dispersão é negativo, denominado dispersão negativa; inversamente, as ondas de luz de comprimento de onda mais longo se propagam mais lentamente do que as ondas de luz de comprimento de onda mais curto.
Aqui, o coeficiente de dispersão é positivo, denominado dispersão positiva. Claramente, se duas fibras ópticas com sinais de coeficiente de dispersão opostos forem fundidas, a dispersão do material será melhorada.
dispersão de guia de ondas
A dispersão do guia de ondas ΔTw refere-se a um modo guiado específico em uma fibra óptica. Diferentes comprimentos de onda têm diferentes constantes de fase, resultando em diferentes velocidades de grupo e, portanto, dispersão. A dispersão do guia de ondas também está relacionada a vários fatores, como os parâmetros estruturais da fibra óptica e a diferença relativa do índice de refração entre o núcleo e o revestimento; portanto, também é chamada de dispersão estrutural.
Dispersão do modo de polarização
A dispersão do modo de polarização é um tipo de dispersão exclusivo das fibras ópticas-de modo único. Como as fibras monomodo-na verdade transmitem dois modos de polarização mutuamente ortogonais, seus campos elétricos são polarizados ao longo das direções x e y, respectivamente.
Largura de banda de fibra óptica
A dispersão e a largura de banda das fibras ópticas descrevem a mesma característica. Na verdade, a dispersão descreve até que ponto um pulso de luz se amplia ao longo do eixo do tempo após a transmissão; é uma descrição das características da fibra no domínio do tempo. A largura de banda, por outro lado, descreve esta característica no domínio da frequência. No domínio da frequência, para um sinal modulante, a fibra óptica pode ser considerada um filtro passa-baixa-. Quando os componentes de alta-frequência do sinal modulante passam por ele, eles são severamente atenuados. Ou seja, se a amplitude do sinal de entrada (sinal modulante) permanecer constante, mas apenas a frequência mudar, a amplitude do sinal de saída após a transmissão através da fibra mudará com a frequência do sinal modulante (sinal de entrada). TTU-T recomenda especificar que a largura de banda de uma fibra óptica é [largura de banda por quilômetro].
