Optoelektronika

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

Optoelektronika

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