Fizikinių savybių vykstančių optiniame kabelyje apžvalga

2. FIZIKINIŲ PROCESŲ, VYKSTANČIŲ OPTINIAME KABELYJE APŽVALGA

2.1 Skaidulinio šviesolaidžio sandara

Siekiant pateikti išsamią naudojamų optinio perdavimo įrenginių ir metodų apžvalgą, pirmiausia reikia išsiaiškinti, kaip ir kokie procesai vyksta optiniame kabelyje. Optinė skaidula yra sudaryta iš šių dalių: skaidrios šerdies ir vieno ar net kelių apsauginių plastmasinių sluoksnių, saugančių nuo išorinio poveikio ir suteikiančių optiniam kabeliui stiprumo.

2.1pav. Šviesolaidis

(1 – šerdis; 2 – apvalkalas; 3 – slopintuvas)

Ties dviejų aplinkų su skirtingais lūžių rodikliais riba atsiranda šviesos lūžis. Šviesai pereinant iš optiškai tankesnės aplinkos į aplinką su mažesniu lūžio rodikliu, kai kritimo kampas φ yra mažesnis už kritinį, tai lūžio kampas φ* yra didesnis už kritimo kampą (2.2 pav. a). Šviesos lūžio dėsnį galima išreikšti

n1sinφ=n2sinφ* (2.1)

Kritinį kritimo kampą galima išreikšti

sin φkr=n2/n1 (2.2)

kai φ>φkr gauname visišką atspindį (2.2 pav. c)

2.2 pav. Šviesos lūžis ir atspindys ties dviejų aplinkų riba

Šviesolaidžiuose yra pritaikomas visiškas šviesos atspindys. Optinės skaidulos, skirtos telekomunikacijoms, yra savotiškas apvalaus skerspjūvio dielektrinis bangolaidis.

2.2 Reiškiniai optinės skaidulos medžiagoje

Žinoma, kad šviesa yra elektromagnetinė banga, o elektromagnetinių bangų sklidimo greičiui skaidrioje medžiagoje turi įtakos bangų ir medžiagos sąveika. Kadangi ši sąveika priklauso nuo dažnio, tai medžiagoje atsiranda dispersija.

Elektromagnetiniai virpesiai sužadina medžiagos molekulių atomų ir elektronų virpesius. Virpantys kūnai spinduliuoja elektromagnetinius virpesius, kurie interferuoja su pradinėmis bangomis. Kintant dažniui, kinta medžiagos poliarizuotumas, kinta medžiagos dielektrinė skvarba ir lūžio rodiklis. Lūžio rodiklis yra kompleksinis dydis, išreiškiamas

n*=n+jn’=c(β+j)/ω (2.3)

čia β – fazės koeficientas, m – slopinimo koeficientas

Realioji lūžio rodiklio dedamoji lemia šviesos greitį, o menamoji – slopinimą. Tuose dažnių ruožuose, kuriuose smarkiai kinta lūžio rodiklis, stebimas žymus slopinimas. Kai dažnis yra aukštesnis už rezonansinį, tai, kylant dažniui, lūžio rodiklis auga lėtai. Tuomet dydis dn/dλ yra mažas neigiamas ir rodo, kad, ilgėjant bangai, lūžio rodiklis mažėja. Optinėse telekomunikacijose skaidulos lūžio rodiklis kinta, į skaidulą įvedant tam tikrų priemaišų. Jei įvesime B2O3 ar F, tai lūžio rodiklis mažės, o jei GeO2 ar P2O5 – didės. Ekspermentiškai yra nustatyta, kad geri rezultatai pasiekiami skaidulos šerdį legiravus germanio oksidu, o apvalkalą – fluoru. Taigi šviesos lūžio rodiklis optinio šviesolaidžio skaiduloje priklauso nuo priemaišų koncentracijos ir šviesos bangos ilgio. Dėl lūžio rodiklio priklausomybės nuo bangos ilgio atsiranda šviesos dispersija, dėl kurios optinėse telekomunikacijose išplinta šviesos signalai.

2.2.1 Dispersija

Šviesos spindulių sklidimą skaiduloje galima pavaizduoti schema

2.3pav. Šviesos sklidimas šerdyje

Jeigu skaidulos ilgis yra l, tai 1 spindulys, sklindantis skaidulos ašies kryptimi, šį nuotolį įveiks per

t1=l/v=n1l/c (2.4)

Antrasis spindulys, kurio φ=φkr, tą patį nuotolį įveikia per

t2=n1l/csinφkr=n12l/n2c (2.5)

Taigi kartu į šerdį patekę spinduliai jos galą pasieks skirtingais laiko momentais. Vėlinimo laiko išsibarstymą – šviesos dispersiją – galima nusakyti dydžiu

(2.6)

Tada

(2.7)

Įrodoma, kad informacijos perdavimo greitis yra B1/t, tada

(2.8)

Iš 2.7 ir 2.8 formulių matyti, kad, didėjant apvalkalo lūžio rodikliui ir mažėjant n, dispersija skaiduloje mažėja ir didėja informacijos perdavimo greitis. Tuo nesunkiai galima įsitikinti paanalizavus porą pavyzdžių (1. n1=1.5; n=0.5; t/l2.5s/km; Bl0.4(Mb/s)km. 2. n1=1.46; n=0.02; t/l0.07ns/km; Bl15(Mb/s)km) Galima būtų teigti, kad, norint gauti pakankamai didelį informacijos perdavimo greitį ir mažą šviesos dispersiją, reikia mažinti optinės skaidulos ir jos apvalkalo lūžio rodiklių skirtumą (n). Tačiau, mažėjant n iš 2.2 formulės matome, kad didėja φkr ir taip pt mažėja šviesos spindulio maksimalaus kritimo į skaidulą kampas m. Tai galima įrodyti remiantis 2.1 formule ir 2.3 pav.

nasinm=n1sinm=n1cosφkr (2.9)

na – skaidulos aplinkos (oro) lūžio rodiklis

Kadangi sinφkr=n2/n1, tai , tai pagal (2.9) formulę

(2.10)

Didėjant m, didėja krintančios į skaidulos galą šviesos dalis, patenkanti į pačią skaidulą. Todėl norint didinti m, reikia didinti n. Sandauga nasinm yra vadinama skaitine apertūra ir žymima NA (angl. Numerical Aperture). Pagal 2.10 formulę

NA=nasinm= n=0.5(n1+n2)

Jei na=11 ir šviesos šaltinio kryptingumo char. galima išreikšti
santykiu I()=cos, tai į optinę skaidulą patenkanti šviesos srauto dalis yra išreiškiama (NA)2=/0. Kai n=1.46 ir n/n=1, tai NA0.17, o (NA)20.029. Tai reiškia, kad į skaidulą pateks tik apie 3 šaltinio spinduliuojamo šviesos srauto.Dėl aptartų priežasčių reikia mažinti šviesos dispersiją pernelyg nemažinant n. Tam paprastai taikomi du pagrindiniai būdai: