Politechnika Białostocka

Wydział Elektryczny

Katedra Promieniowania Optycznego

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu:

ŚWIATŁOWODY I ICH ZASTOSOAWNIA

KOD PRZEDMIOTU: TZ1A700 051

Ćwiczenie numer 2

Temat ćwiczenia: Pomiar tłumienia światłowodów

Opracował:

dr Dominik Dorosz

Białystok 2010

- 2 -

Wydział Elektryczny
Katedra Promieniowania Optycznego
Kierunek studiów: EiT
Kod: ....................................................................................................................................


Spis treści:
1.

Wprowadzenie

3

2.

Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego

10

3.

Metodyka badań

10

4.

Wymagania BHP

10

5.

Sprawozdanie studenckie

10

6.

Literatura

10

- 3 -

1.

Wprowadzenie

Tłumienie światłowodu

Stopień tłumienia sygnału optycznego przenoszonego światłowodem (obok dyspersji)

wyznacza dopuszczalną długość toru transmisyjnego. Tłumienie nie powoduje zmiany

kształtu sygnału, lecz zmniejsza jego moc. Straty te (dla określonej długości fali) określa się

poprzez porównanie mocy optycznej wprowadzonej do światłowodu z mocą uzyskaną na jego

końcu:

α =

wy

we

P

P

L

log

10

[dB/km]

gdzie: P

wy

– moc na wyjściu światłowodu, P

we

– moc wprowadzona do światłowodu (na

wejściu).

Straty, którymi obarczone są światłowody wynikają głównie z cech materiałów użytych do

ich budowy oraz ze specyfiki procesu technologicznego. Wybór materiałów do wytwarzania

światłowodów jest zdeterminowany koniecznością jednoczesnego spełnienia wielu

wymogów. Materiał powinien charakteryzować się przede wszystkim dostateczną

przejrzystością dla transmitowanej fali świetlnej oraz odpornością na oddziaływania

mechaniczne, chemiczne, cieplne i radiacyjne. Oczywistym jest także fakt, że musi dawać się

formować w bardzo długie cylindryczne włókna o niewielkiej średnicy, z możliwością

(poprzez wprowadzenie domieszek) kształtowania współczynnika załamania światła w

rdzeniu i płaszczu. Wymogi te w mniejszym lub większym stopniu ograniczają gamę

możliwych do użycia materiałów do szkieł nieorganicznych i organicznych, chociaż znane są

też rozwiązania, w których jako rdzeń stosowany jest płyn, powietrze wypełniające szklaną

rurę o metalizowanej powierzchni wewnętrznej, ciekłe kryształy itp. Podstawowym

materiałem, z którego budowane są światłowody jest szkło nieorganiczne. Obok niego,

stosuje się też szkła organiczne - przejrzyste polimery. Zachowanie odpowiednio małych strat

szkła wymaga wysokiego stopnia czystości surowców użytych do jego syntezy oraz

warunków procesu technologicznego, podobnych, jakie są wymagane przy wytwarzaniu

materiałów półprzewodnikowych.

Istnieją dwa główne źródła strat energii fali elektromagnetycznej transmitowanej w

światłowodzie. Pierwsze jest wynikiem jakości materiałów użytych do budowy światłowodu

oraz jakości procesu technologicznego, zaś drugie, to straty wynikające z samej struktury

giętkiego włóknistego światłowodu, prowadzącego promieniowanie nie zawsze po linii

prostej.

- 4 -

Straty wynikające z właściwości materiału są to

straty materiałowe

, natomiast straty

wynikające ze struktury światłowodu nazywamy

stratami falowodowymi

. Dodatkowo, straty

materiałowe można podzielić na dwie grupy. Do pierwszej należy zaliczyć straty wywołane

przez absorpcję zaś do drugiej, straty spowodowane rozpraszaniem energii.

Straty materiałowe

Nawet najczystsze szkło całkowicie pozbawione zanieczyszczeń pochłania energię

przechodzącego przez nie promieniowania optycznego. Pokazują to charakterystyczne linie o

określonej długości fali - pasma absorpcyjne w widmie materiału. Dla szkieł

krzemionkowych występuje bardzo silna absorpcja w zakresie ultrafioletu (poniżej 0,4

µ

m) i

podczerwieni (powyżej 4

µ

m). Z powyższego wynika, że w zakresie 0,4

÷

4

µ

m szkło

krzemionkowe powinno być dobrym przewodnikiem promieniowania. Niestety, zakres ten

zakłócają lokalne wzrosty tłumienia światła, wywołane przez zanieczyszczenia jonami metali,

jak również jonami OH

-

i CO

2-

. Z tych powodów do transmisji informacji wykorzystywane są

pojedyncze długości fali, dla których tłumienie światłowodu jest najmniejsze.

Absorpcja w podczerwieni i nadfiolecie

Przepuszczalność optyczną szkła w obszarze fal dłuższych (podczerwieni) ogranicza

absorpcja molekularna. Jest ona określona oddziaływaniem fotonów promieniowania z

drgającymi cząsteczkami szkła. Pochłaniana w sposób ciągły energia daje w efekcie ruch

termiczny atomów i jest rozpraszana. Absorpcja molekularna zależy od rodzaju materiału.

Przykładowo: dla krzemionki (SiO

2

), w porównaniu z innymi szkłami tlenkowymi, absorpcja

molekularna jest najdalej przesunięta w kierunku dłuższych fal.

Przepuszczalność w obszarze fal krótszych jest ograniczona w wyniku oddziaływania

fotonów z elektronami anionów i kationów wchodzących w skład szkła. Tak na przykład, w

szkłach krzemionkowych występuje bardzo silna absorpcja w zakresie nadfioletu, wywołana

przez oddziaływanie pomiędzy kwantami promieniowania, a elektronami walencyjnymi

atomów tworzących szkło, przez co zakres nadfioletu i częściowo światła widzialnego jest

wyłączony z potencjalnych zastosowań światłowodów tworzonych na bazie SiO

2

.

W zakresie przepuszczania promieniowania (dla szkła krzemionkowego jest to zakres 0,4

µ

m -

4

µ

m), straty absorpcyjne w szkłach pochodzą od zanieczyszczeń, którymi są jony

pierwiastków przejściowych, oraz jony 0H

-

, będące śladami pary wodnej w masie szklanej

(rys. 1.1).

- 5 -

Rys.1.1. Zależność tłumienia jednomodowego światłowodu krzemionkowego
domieszkowanego GeO

2

od długości fali

Trzeci rodzaj strat absorpcyjnych jest wywołany przez defekty w jednolitej strukturze szkła,

powstałe przy fabrykacji szkła lub wprowadzone w kolejnych etapach budowy światłowodu.

Mogą to być większe wtrącenia obcych molekuł powstałe z zanieczyszczeń atmosfery przy

produkcji światłowodów, lub też luki w jednolitej strukturze szkła.

Absorpcja wynikająca z zanieczyszczeń jonami metali przejściowych.

Zanieczyszczenia szkieł tworzących rdzeń i płaszcz są głównym źródłem strat energii w

światłowodach.

Wtrącenia metali przejściowych, jak Fe, Cu, V, Co, So, Ti, Ni, Mn i Cr, powodują

pochłanianie energii na skutek oddziaływania fotonów z elektronami przechodzącymi

pomiędzy poziomami energetycznymi nie w pełni obsadzonych powłok wewnętrznych ich

atomów. Absorpcja kwantu energii świetlnej powoduje przejście elektronu z niższej

energetycznie orbity na orbitę energetycznie wyższą. Zjawisko to cechuje się dość szerokim

zakresem absorpcji i często powoduje charakterystyczne dla danego jonu zabarwienie szkła.

Ten składnik

absorpcji materiałowej

ma charakter widmowy, zależy od długości fali

elektromagnetycznej przesyłanej przez światłowód i ma na ogół mniejszy wpływ na wielkość

tłumienia dla dłuższych fal (rys.1.2).

Przykładowo, chcąc uzyskać tłumienie światłowodu mniejsze od 1 dB/km należy ograniczyć

ilość jonów Fe i Cu, obecnych w materiale rdzenia poniżej 1 ppb (part per billion - jeden

atom zanieczyszczeń na miliard atomów substancji). Pokazuje to, jak czyste muszą być

surowce wyjściowe do wytopu szkła i w jak sterylnych warunkach musi przebiegać proces

tworzenia światłowodu. Nie ma bowiem metody oczyszczania szkła po jego wytworzeniu.

- 6 -

Rys. 1.2. Wpływ jonów metali przejściowych na wielkość tłumienia [6].

Absorpcja wywołana przez drgania wiązań O-H i Si-O.
Podstawowa częstotliwość oscylacji jonów OH

-

wynosi około 1,1

14

10

⋅

Hz, co odpowiada

długości fali w podczerwieni

λ

= 2,73

µ

m, a więc leży powyżej wykorzystywanego w

transmisji światłowodowej pasma 0,8–1,6

µ

m. Obserwując charakterystykę tłumienia

światłowodów można stwierdzić występowanie pofalowań o charakterze rezonansowym w

użytecznym w praktyce zakresie długości fali: 0,5

÷

1,6

µ

m. Są to linie rezonansowe

absorpcji, wywołane przez drgania harmoniczne wiązań O-H (druga 1,38

µ

m, trzecia 0,95

µ

m, czwarta 0,725

µ

m, piąta 0,585

µ

m) oraz przez drgania kombinowane wiązań O-H i Si-O

(1,23

µ

m, 1,125

µ

m, 1,03

µ

m, 0,88

µ

m, 0,825

µ

m, 0,775

µ

m, 0,685

µ

m.). Poziom absorpcji

dla poszczególnych, rezonansowych długości fali jest różny i zależy głównie od zawartości

jonów OH

-

. Najbardziej znaczące, bo powodujące najpoważniejsze straty transmisji są piki

absorpcji dla fali o długości 0,96

µ

m, 1,23

µ

m, 1,38

µ

m. Kształt i położenie tych linii

absorpcyjnych wyznaczają długości fali, jakie są stosowane w telekomunikacji

światłowodowej. Są to tzw. „okna transmisyjne” (pierwsze: 0,85

µ

m, drugie:1,30

µ

m, trzecie:

1,55

µ

m oraz czwarte: 1.64

µ

m), charakteryzujące się najmniejszymi materiałowymi stratami

transmisji. Drugą grupę strat pochodzenia materiałowego stanowią straty wynikające z

rozpraszania promieniowania w materiale szklistym tworzącym światłowód.

Rozpraszanie Rayleigha

W stopionej masie szklanej tworzące ją drobiny przemieszczają się w sposób przypadkowy.

Ich ruch jest wynikiem dostarczonego z zewnątrz ciepła. Jeżeli ta płynna masa oziębia się,

- 7 -

ruch cząstek ustaje. W stanie stałym przypadkowo rozłożone drobiny zostają "zamrożone". W

taki sposób mogą powstać lokalne fluktuacje gęstości szkła i jego współczynnika załamania

światła.

Jeśli wymiary tych zaburzeń są dużo mniejsze niż długość transmitowanej fali, to

przechodząca przez taką strukturę fala rozprasza w różnych kierunkach część swojej energii.

Ten rodzaj rozpraszania energii na elementach struktury szkła (głównie rdzenia), których

wymiary są dużo mniejsze, niż długość propagowanej w światłowodzie fali to rozpraszanie

Rayleigha.

Rozpraszanie Rayleigha, występujące we wszystkich materiałach przezroczystych silnie

zależy od długości fali i nie jest zależne od natężenia promieniowania.

Straty, wynikające z rozpraszania Rayleigha opisuje zależność:

4

λ

α

R

R

k

=

Współczynnik k

R

ma różną wartość dla różnych materiałów.

Tłumienie wynikające z rozpraszania Rayleigha, jak widać, maleje z czwartą potęgą długości

fali. Na przykład, tłumienie czystego szkła krzemionkowego dla fali o długości

λ

= 0,82

µ

m,

powodowane rozpraszaniem Rayleigha wynosi 1,77 dB/km, a dla

λ

= 1,3

µ

m już tylko 0,28

dB/km. Dla innych szkieł wartości te będą inne, najczęściej większe.

Rozpraszanie Mie

Niejednorodności materiałowe powstające w sposób niezamierzony podczas procesu

topienia szkła oraz formowania włókna stają się przyczyną dodatkowych strat przez

rozpraszanie. Niedokładne mieszanie lub niezupełne rozpuszczanie użytych komponentów

doprowadza w konsekwencji do powstania szkła o niejednorodnej strukturze. Także, wadliwy

proces wytwarzania włókien może dawać chropowatą powierzchnię graniczną rdzeń-płaszcz.

Wymienione zaburzenia powodują powstawanie w rdzeniu światłowodu obiektów

rozpraszających o wymiarach dużo większych niż długość transmitowanej fali. Ten typ

rozpraszania nazywa się rozpraszaniem Mie. Wywołane jest ono głównie obecnością w szkle

krystalitów fazy stałej lub też znajdujących się w nim elementów obcych, których źródłem

jest np. zapylone powietrze. Rozpraszanie Mie mogą generować też pęcherzyki gazów

uwięzionych w szkle. Staranny dobór materiałów tworzących światłowód oraz ścisłe

przestrzeganie zasad procesu produkcyjnego pozwala wydatnie ograniczyć to zjawisko.

Rozpraszanie to jest niezależne od długości fali, ponieważ obiekt rozpraszający jest znacznie

większy niż długość transmitowanej fali.

- 8 -

Straty falowodowe

Włókna światłowodowe znajdujące się w kablach nie zawsze prowadzą światło wzdłuż linii

prostej gdyż z powodu błędów w procesie ich wytwarzania oraz stosownie do konfiguracji

sieci telekomunikacyjnej, podlegają one zgięciom (makrozgięciom) i mikrozgięciom.

Skutkuje to stratami energii przenoszonej światłowodem. W światłowodach wielomodowych,

lokalne zgięcia układające się przypadkowo wzdłuż ich długości (trasy kabla), a w

szczególności nieregularne a także periodycznie powtarzające się zgięcia zwane

mikrozgięciami, powodują występowanie zjawiska sprzęgania się modów i przechodzenia

energii od modów podstawowych do modów wyższych rzędów i dalej, do modów, które są

wypromieniowywane poza obszar rdzenia. Przyczyną mikrozgięć mogą być odchylenia od

idealnej struktury światłowodu, niejednorodności pokryć zabezpieczających światłowód

przed agresywnym oddziaływaniem środowiska powstające podczas produkcji światłowodu i

kabla a następnie nawijania go na bębny, a także jego zginania podczas montażu.

Straty mikrozgięciowe silnie zależą także od wymiarów rdzenia i płaszcza oraz od różnicy

współczynników załamania światła materiałów użytych do budowy światłowodu. W

światłowodach wielomodowych straty mikrozgięciowe zależą ponadto od liczby i rodzaju

prowadzonych modów.

Przykładowe tłumienie spektralne światłowodów wielomodowych przedstawiają rysunki 1.3,

1.4, a ich właściwości tabele 1 i 2.

Rys.1.3. Tłumienie w światłowodzie (PCS) w funkcji długości fali

- 9 -

Rys.1.4. Wykres tłumienności światłowodu polimerowego w funkcji długości fali

TABELA 1 - Tłumienie światłowodów polimerowych (POF) i szklanych (GOF) dla

wybranych długości fali

Typ
światłowodu

długość fali [nm]

Min współczynnik
tłumienia [dB/km]

POF

520
570
650

73
66
130

GOF

850
1300
1550

4
0.4
0.2

TABELA 2 - Porównanie właściwości optycznych światłowodów polimerowych (POF) i

szklanych z płaszczem polimerowym (PCF-OF, PCS) ze światłowodami
szklanymi (GOF)

Rodzaj światłowodu
Parametry własnościowe

POF
Skokowy (SI)
wielomodowy

PCF-OF
Skokowy (SI)
wielomodowy

GOF
Grad. (GI)
wielomodowy

GOF
Skokowy (SI)
jednomodowy

Materiał rdzenia
Materiał płaszcza

Plastik
Plastik

Szkło
Plastik

Szkło
Szkło

Szkło
Szkło

Średnica rdzenia/płaszcza [

µm] 980/1000

200/230

50/125

9/125

Średnica zew. włókna [

µm]

2200

500

250

250

Apertura numeryczna

0.47

0.36

0.2

ok. 0.5

Tłumienność

α [dB/km]

λ=660 nm
λ=850 nm
λ=1300 nm

230
2000
-

7
6
-

-
< 3.0
< 0.7

-
-
< 0.4

Typowe okno transmisji [nm]

520/650

650/850

850/1300/1500 850/1300/1500

Pasmo transmisji
[MHz km]
λ=660 nm
λ=850 nm
λ=1300 nm

1
-
-

-
> 16
-

-
> 400
> 600

-
-
> 10000

- 10 -

2.

Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego

Celem ćwiczenia jest pomiar tłumienia światłowodów.

3.

Metodyka badań

W skład układu pomiarowego wchodzą:

-

dioda laserowa i dioda elektroluminescencyjna z zasilaczem,

-

ława optyczna z uchwytami mocującymi,

-

układ detekcyjny

-

badane światłowody.
W trakcie ćwiczenia należy:

-

przeprowadzić pomiary tłumienia badanych światłowodach,

-

wyznaczyć tłumienność badanych światłowodów.

4.

Wymagania BHP

a)

Grupę studentów wprowadza do laboratorium prowadzący zajęcia.

b)

Każdy student przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczeń laboratoryjnych jest
zobowiązany do zapoznania się z regulaminem BHP i potwierdzenia tego własnym
podpisem.

c)

Uruchomienie urządzeń i przyrządów należących do danego ćwiczenia może nastąpić
dopiero po zapoznaniu się z instrukcją obsługi, szczegółowymi przepisami BHP i po
uzyskaniu zgody prowadzącego zajęcia.

d)

Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z urządzeń nie
należących do danego ćwiczenia.

e)

Wszystkie zauważone uszkodzenia: urządzeń, przewodów przyłączeniowych, gniazd
sieciowych i przyrządów pomiarowych, a także wadliwe ich działanie należy zgłosić
prowadzącemu zajęcia.

f)

W przypadku wystąpienia przy pracy w laboratorium wypadku porażenia prądem
elektrycznym należy:

-

wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych,

-

przed odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego.

g)

Prowadzący zajęcia, w razie wypadku porażenia prądem, jest zobowiązany:

-

zapewnić porażonemu natychmiastową pomoc medyczną,

-

jeżeli porażony stracił przytomność i nie oddycha, natychmiast przystąpić do
sztucznego oddychania i kontynuować je do chwili przybycia lekarza,

-

niezależnie od stanu porażonego po wypadku, nawet gdy nie odczuwa żadnych
dolegliwości, skierować go na badania lekarskie,

-

o zaistniałym wypadku powiadomić kierownika katedry.

h)

Nie przestrzeganie regulaminu BHP może spowodować usunięcie studenta z zajęć
laboratoryjnych.

5.

Sprawozdanie studenckie

W sprawozdaniu należy zamieścić:

•

cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego,

•

opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu,

•

zestawienie i analiza wyników badań,

•

uwagi i wnioski dotyczące ćwiczenia.

6.

Literatura

1.

Dorosz J., Technologia światłowodów włóknistych, Polski Biuletyn Ceramiczny
Ceramika/Ceramics Vol. 86, Kraków 2005.

2.

Smoliński A.: Optoelektronika światłowodowa, WKiŁ Warszawa 1985.

- 11 -

3.

Szustakowski M.: Elementy techniki światłowodowej, WNT Warszawa 1992.

4.

Crosignani B., de Marchis G., Tadeusiak A.: Światłowody w telekomunikacji, WKiŁ
Warszawa 1987.

5.

Palais Joseph C.: Zarys telekomunikacji światłowodowej WKŁ Warszawa 1991.