Optoelektronika

21

5. Pomiar tłumienności światłowodów.

5.1. Wstęp

Mechanizmy strat są różnorodne i zależą m.in. od czystości światłowodu, długości propago-
wanej fali, temperatury, wilgotności zewnętrznej itp.
Straty mocy w światłowodzie można podawać w postaci procentowej ilości transmitowanej
mocy w światłowodzie. Taka forma spotykana jest przy światłowodach krótkich rzędu kilku
metrów i dużych średnicach np.1mm- wykorzystywanych najczęściej do oświetlania różnych,
trudnodostępnych miejsc.
Straty w tego typu światłowodach sięgają kilkudziesięciu procent na każdym metrze długości.
W przypadku długich światłowodów o znacznie mniejszych średnicach tłumienność podaje
się w [dB/km].
Weźmy dla porównania światłowody wielomodowe o średnicy rdzenia 1mm, 0,2mm i jedno-
modowy o średnicy 0,004mm. Ilość szkła potrzebna do wytworzenia 1m odcinka światłowodu
o średnicy 1mm, pozwoli wykonać 2.500m światłowodu o średnicy 0,2mm, a 62.500m
wspomnianego światłowodu jednomodowego! Takie zestawienie daje pogląd na stawiane
wymagania dotyczące np. czystości szkła, z którego wykonuje się światłowód. Światłowody
ze zwykłego szkła technicznego mają tłumienność rzędu 1000dB/km. Oczyszczenie takiego
szkła doprowadziło do zmniejszenia tłumienia do poziomu 300dB/km, co jest wystarczające
w przypadku światłowodów o długości pojedynczych metrów. Kolejną poprawę uzyskano
poprzez poznanie mechanizmów i sposobów redukcji różnych zanieczyszczeń. Obecnie ma-
teriały stosowane do produkcji światłowodów charakteryzują czystością porównywalną do
czystości materiałów wykorzystywanych w technologii półprzewodnikowej. Osiągane tłu-
mienności są na poziomie 1dB/km. Takie światłowody są bardzo wrażliwe na warunki ze-
wnętrzne zarówno fizyczne jak i chemiczne.

Straty materiałowe

Wywołane przez absorpcję, w których światło ulega konwersji na energię cieplną.
Straty rozproszeniowe.

Straty absorpcyjne w zakresie widmowym 0,4-4 mikrometrów pochodzą z zanieczysz-

czeń, mają charakter widmowy i powodowane są głównie przez jony OH

-

bardziej widoczne

w zakresie fal krótszych, a które są pozostałością pary wodnej w szkle, a także przez jony
metali. Dla włókna o tłumienności poniżej 1 dB/km liczba jonów Fe i Cu musi być mniejsza
niż 1ppb

3

(liczba atomów zanieczyszczeń na 1 miliard atomów substancji).

Straty rozproszeniowe - powstają głównie w wyniku rozproszenia Rayleigha, które spowo-
dowane jest mikroniejednorodnością współczynnika załamania ośrodka. Objawiają się w
postaci opóźnień fazy propagowanych fal świetlnych. Straty rozproszeniowe Rayleigha opi-
suje równanie:

4

/

λ

α

k

R

=

.

(5.1)

Dla szkła kwarcowego mamy

4

)

/

(

9

,

0

7

,

0

m

km

dB

k

µ

−

=

, co dla fali o długości 0,63 mikrome-

tra daje wartości z zakresu 4.4−5.7 dB/km, a dla fali o długości 1,3 mikrometra już tylko:
0,24−0.31 dB/km. Minimum strat Rayleigha przypada na długość fali 1,55 mikrometra i wy-
nosi 0,12−0,15 dB/km.

Innego rodzaju stratami rozproszeniowymi są takie, które powstają na niejednorodno-

ś

ciach szkła o wielkościach porównywalnych z długością fali - jest to rozproszenie typu Mie.

Mogą je powodować np. wytrącone krystality fazy stałej szkła, lub zanieczyszczenia czy też
pęcherzyki powietrza.

3

A. Smoliński :optoelektronika światłowodowa :WKiŁ; 1985, STR67

Optoelektronika

22

Jeśli w światłowodzie propaguje się duża ilość energii pojawiają się jeszcze stymulowa-

ne rozproszenie Brillouina i stymulowane rozproszenie Ramana, mające charakter zjawisk
nieliniowych powodujące przesłuch i własną modulację fazy.

Straty falowodowe - wynikają ze struktury konstrukcyjnej światłowodu, która ma wpływ

na propagację fali w rdzeniu i płaszczu a także określającą mody radiacyjne (fale wyciekają-
ce) odpowiedzialne za energię wypromieniowaną przez światłowód. Mody radiacyjne mają
zazwyczaj niewielką wartość; do tej grupy czynników należą też niejednorodności powstałe
podczas produkcji czy montażu linii światłowodowej (zginanie, zwijanie, skręcanie...).

Dla włókna bez osłony straty mikrozgięciowe opisuje zależność:

3

6

4

−

−

∆

=

p

r

M

a

ka

α

,

(5.2)

gdzie:

- k − stała niezależna od parametrów światłowodu;
-

r

a

,

p

a

− promienie rdzenia i płaszcza;

-

∆

− względna różnica współczynników załamania rdzenia i płaszcza.

Ilość mocy optycznej prowadzonej przez światłowód o długości "z" opisuje równanie

)

10

/

(

10

)

0

(

)

(

z

I

z

I

Γ

−

=

,

(5.3)

gdzie:

z

- długość włókna w [km],

Γ

- współczynnik tłumienia włókna w [dB/km]

Dla przykładu włókno jednomodowe FS-SC 4314 firmy 3M, o średnicach rdze-

nia/płaszcza/otuliny 4,3/80/200 m charakteryzuje się tłumiennością typową/max 3/5 [dB/km]
dla długości fali 820nm. Oznacza to, że po przebyciu 1 km na wyjściu powinno być od 50%
do 31 % mocy wejściowej.
Tłumienie włókna wyrażone w [dB] wyznacza poniższa zależność:

)

/

log(

10

in

out

P

P

L

−

=

,

(5.4)

gdzie

)

/

(

in

out

P

P

oznacza stosunek mocy wyjściowej do mocy początkowej.

Współczynnik tłumienia [dB/km] dla światłowodu od długości

z

opisuje równanie:

(

)

)

/

log(

10

1

in

out

P

P

z

−













=

Γ

.

(5.5)

5.2. Spis elementów

L.P. Opis

il.szt.

1

Płyta podstawy

1

2

Pręt mocujący

4

3

Kolumna zwykła

3

4

Pochylny uchwyt elementów płaskich 2

5

Uchwyt małych elementów okrągłych 2

6

Moduł lasera

1

7

Moduł kolimatora

1

8

Moduł detektora

1

9

Uchwyt światłowodu

2

11

Ś

wiatłowód wielomodowy

1

12

Pozycjoner XY

2

15

Kolumna z mikroprzesuwem

1

16

Obiektyw mikroskopowy

1