Затухание в оптико-волоконных кабелях

Волоконно-оптические кабели  имеют много преимуществ, но одним из недостатков, присущих и медным кабелям, является то, что он может испытывать затухание.

Затухание относится к потере света при его прохождении по волокну, и может быть вызвано различными факторами: рассеянием и поглощением, внутренними потерями, внешними потерями, потерями на изгибах и многим другим.

Если не знать, какие потери ожидать в системе, невозможно определить, сколько других компонентов понадобится для их компенсации. В этой статье мы обсудим затухание и то, как оно влияет на волоконно-оптические системы.

Природа затухания

Как мы уже упоминали во введении, затухание — это потеря света при его прохождении по волокну. Поскольку свет проходит через стеклянный сердечник оптического волокна и поглощается оболочкой при прохождении, это вызывает различную величину затухания в оптоволоконном кабеле.

Свет также может рассеиваться волокнами до достижения цели. Этот процесс рассеивания вызывает некоторые потери, но обычно не считается критичным, поскольку при этом процессе не происходит полного поглощения единицы сигнала.

Потери в оптоволоконных кабелях  обычно вызваны тремя основными проблемами: рассеиванием, поглощением и потерями на изгибах.

Потери на рассеивание

Рассеивание света является формой внутреннего затухания. На долю потерь от рассеивания приходится наибольшее затухание в волоконном кабеле – от 95 до 97 процентов. Свет, проходящий через волокно, взаимодействует с уплотнениями, неоднородностями материала световода и затем частично рассеивается во всех направлениях.

Рассеивание вызывается атомными структурами и частицами в волокне, которые перенаправляют свет, падающий на них. Этот процесс называется рэлеевским рассеиванием, в честь лорда Рэлея, британского физика, который впервые описал это явление в конце 19 века.

Интересно знать, что рассеивание Рэлея также является ответом на извечный вопрос: «Почему небо голубое?» Синий цвет, который мы видим, на самом деле является результатом большей распространенности синих волн солнечного света, рассеиваемыми частицами в атмосфере.

По мере того, как солнце движется к горизонту, и свет должен проходить через большую часть атмосферы, рассеяние увеличивается до точки, где синий свет почти полностью ослабевает, оставляя красные длины волн, которые меньше подвержены рассеянию по причинам, которые мы вскоре увидим.

Рэлеевское рассеяние зависит от соотношения между длиной волны и размером структур в волокне. Рассеивание уменьшается по мере того, как длина волны света приближается к размеру структур, что означает, что в волоконно-оптической связи более короткие длины волн с большей вероятностью будут рассеиваться, чем более длинные.

Это одна из главных причин, по которой инфракрасные длины волн используются в волоконной оптике. Относительно длинные волны инфракрасного диапазона меньше подвержены рассеянию, чем видимые цвета спектра.

Это также объясняет, почему солнце становится красным на горизонте. Более короткие синие длины волн с большей вероятностью будут рассеиваться частицами аналогичного размера в атмосфере, чем красные длины волн.

Потери поглощения

Потери на поглощение обычно составляют от 3 до 5 процентов от общего затухания в волоконно-оптической линии связи. Все материалы, даже самое прозрачное стекло, поглощают некоторое количество света. Величина поглощения зависит от типа материала и длины волны проходящего через него света.

Поглощение легко понять, надев солнцезащитные очки. Даже в самые яркие дни только часть энергии света проходит через тонированные линзы. Длины волн, которые не проходят, в основном поглощаются примесями, которые были помещены в материал линз или покрыты им.

Свет лучше всего распространяется в прозрачных веществах. Примеси, такие как частицы металла или влага в волокне, могут блокировать часть световой энергии, которая затем поглощается. Поглощение — это преобразование света в тепло при прохождении через плотную среду.

Примеси в стеклянном волокне (например, гидроксильные ионы) поглощают свет и преобразуют его в тепло, вызывая небольшие потери мощности. Эти примеси и дефекты поглощают свет, тем самым уменьшая его мощность при прохождении по волокну. Чем больше поглощается света, тем больше потерь затухания вы будете иметь на другом конце.

Решение заключается в использовании сверхчистого стекла и легирующих химикатов для минимизации примесей и устранения потерь на пиковой длине волны в процессе производства волокна.

Потери на изгибах

Поскольку свет распространяется с разной скоростью через разные материалы, потери на изгибах являются результатом рассеивания и потери света при изгибе на углах. Чем больше изгибов в кабеле, тем больше будут ваши потери.

Микроизгиб происходит, когда оптоволоконный кабель изгибается в небольшом пространстве, обычно с радиусом менее 1 см. Этот тип изгиба может возникнуть, когда кабель подвергается небольшим изменениям температуры, давления или механического напряжения. Микроизгиб может привести к рассеиванию света, проходящего через волокно, что приведет к потере сигнала и снижению качества передачи.

Микроизгибы — это небольшие искажения пограничного слоя между сердцевиной и оболочкой, вызванные сдавливанием или ударом. Микроизгибы очень малы, и могут быть не видны при взгляде на оптоволоконный кабель.

Микроизгибы изменяют угол падения внутри волокна. Изменение угла падения заставляет световые лучи высокого порядка отражаться под углами, которые препятствуют дальнейшему прохождению, в результате чего они теряются в оболочке и поглощаются.

Макроизгиб происходит, когда оптоволоконный кабель изгибается с радиусом более 1 см, когда оптоволокно подвергается более значительным изменениям температуры, давления или механического напряжения, например, при прокладке или натяжении кабеля. Макроизгиб также может привести к рассеиванию света, проходящего через волокно, что приводит к потере сигнала и снижению качества передачи.

Как микроизгиб, так и макроизгиб могут оказывать негативное влияние на производительность оптоволоконных систем, поэтому часто предпринимаются попытки минимизировать оба типа изгиба в оптоволоконных кабелях.

Это может быть использование специальных конструкций или методов установки, которые снижают вероятность изгиба, а также применение защитных мер, например, кабельных зажимов или лотков, для защиты от внешних напряжений.

Особенности затухания

• Затухание измеряется в децибелах/км и может быть преобразовано в значение потерь (в децибелах) для определенной длины кабеля.
• Затухание волокна зависит от длины волны и длины кабеля. Чем больше длина, тем больше мощности оно поглотит из-за рассеивания и поглощения. Одномодовые волокна имеют меньшие потери при эквивалентной длине, чем многомодовые волокна.
• Многомодовые волокна имеют более высокие потери при эквивалентной длине, чем одномодовые волокна, но меньшие, чем одномодовые волокна при соответствующей длине при использовании на больших расстояниях (т. е. более 100 метров).
• Затухание немного увеличивается с ростом температуры, но уменьшается с ростом влажности, если центр кабеля сухой.
• При расчете затухания в оптоволоконном кабеле важно знать, что в центре кабеля затухание выше, чем на его краях.