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 materiały stosowane do produkcji światłowodów charakteryzują czystością porównywalną do czystości materiałów wykorzystywanych w technologii półprzewodnikowej. Osiągane tłumienności 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 zanieczyszczeń, 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 1ppb3 (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 opisuje równanie:
4
α = k / λ
R
.
(5.1)
Dla szkła kwarcowego mamy
4
k =
7
,
0
−
(
9
,
0
dB / km) m
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-
ściach 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
21
Jeśli w światłowodzie propaguje się duża ilość energii pojawiają się jeszcze stymulowane 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:
4
−6
−3
α = ka a
∆
M
r
p
,
(5.2)
gdzie:
- k − stała niezależna od parametrów światłowodu;
- a , a − promienie rdzenia i płaszcza;
r
p
- ∆ − względna różnica współczynników załamania rdzenia i płaszcza.
Ilość mocy optycznej prowadzonej przez światłowód o długości "z" opisuje równanie
−(Γ z /10)
I ( z) = I (0 1
) 0
,
(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 rdzenia/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:
L = −10 log( P
/ P )
out
in
,
(5.4)
gdzie ( P / P ) oznacza stosunek mocy wyjściowej do mocy początkowej.
out
in
Współczynnik tłumienia [dB/km] dla światłowodu od długości z opisuje równanie:
1
Γ = (−10 log( P / P )
out
in ) .
(5.5)
z
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
Światłowód wielomodowy
1
12
Pozycjoner XY
2
15
Kolumna z mikroprzesuwem
1
16
Obiektyw mikroskopowy
1
22