Parametry optických vláken

Základními parametry optického vlákna jsou:

šířka pásma [MHz . km];
numerická apertura (NA);
disperze;
útlum [dB];
ztráty na makroskopických neregularitách;
minimální poloměr ohybu;
obsah OH;
u jednovidových vláken parametr MFD.

U jednovidových vláken je mezní vlnová délka λ_c (cutoff wavelength), což je nejkratší vlnová délka, při které se vlákno projevuje jako jednovidové. To znamená, že jednovidové vlákno se může v závislosti na vlnové délce optického paprsku stát mnohovidovým. Přechod z jednovidového do mnohovidového režimu se uskutečňuje postupně. Prakticky je do jednovidového vlákna vždy vysílán paprsek s vlnovou délkou větší než je mezní vlnová délka λ_c.

Šířka pásma optického vlákna

Šířka pásma udává nejvyšší kmitočet signálu, který může být spolehlivě přenesen na vzdálenost 1 km mnohovidovým vláknem bez nadměrného zkreslení signálu působením disperze, např. vlivem šíření více vidů ve vláknu. Je udávána v MHz . km.

Šířka pásma závisí na konstrukčním uspořádání, na materiálu optického vlákna a na vlnové délce optického signálu.

Vlnová délka má na šířku pásma velký vliv. Například, vlákno, které má na vlnové délce 850 nm šířku pásma 160 MHz. km, může mít na vlnové délce 1 300 nm šířku pásma 500 MHz. km. S vlnovou délkou optického záření se mění také útlum vlákna.

Numerická apertura – NA

Největší úhel, pod kterým může světelný paprsek vstupovat do optického vlákna tak, aby byl vláknem přenášen, definuje tzv. numerická apertura (obr. 19).

Číselně je NA rovna sinu maximálního úhlu Ф_a, pod kterým se vstupující paprsky budou ještě šířit od začátku vlákna k jeho konci. Paprsky dopadající pod větším úhlem se šířit vláknem nebudou.

Tato veličina charakterizuje schopnost vlákna navázat z okolního prostředí do svého jádra určitý optický výkon. Čím je větší, tím je tato schopnost větší.

Podmínkou pro vedení optického záření světlovodem je úplný odraz paprsku na rozhraní jádro-plášť. Je-li mezní velikost úhlu paprsku vzhledem k ose vlákna překročena, dojde na styku jádra s pláštěm k jeho lomu, paprsek se neodrazí, projde do pláště a dojde k jeho vyvázání ven z vlákna.

Velikost NA u vláken s homogenním jádrem - se skokovou změnou indexu lomu lze vyjádřit vztahem:

`NA = sin Θ_a = sqrt(n_1^2 - n_2^2) [-,°,-,-]`

n₁je index lomu materiálu jádra
n₂je index lomu materiálu pláště

Obr. 20: Navázání paprsku do optického vlákna

Máme-li využít optické vlákno k přenosu informace, musíme tuto informaci navázat do optického vlákna. Optické vlákno je tvořeno jádrem a pláštěm. Jádro je vnitřní válec o hodnotě indexu lomu n₁, který je větší než index lomu pláště n₂. Toto je nezbytná podmínka, aby vlákno mohlo zastávat funkci optického vlnovodu .

Máme dva paprsky A a B, oba dopadají na čelní stěnu vlákna pod úhlem navázání do vlákna Ф_a. K vyšetření trajektorie paprsku se použije Snellův zákon lomu.

Vyšetříme dráhu paprsku A, u kterého je splněna podmínka totálního odrazu (φ₁ je rovno nebo větší než φ_c). Tomu odpovídá také konkrétní úhel navázání Ф_a, který se nazývá mezním úhlem navázání. Všechny paprsky z množiny paprsků, jejíchž úhel navázání Ф_a je menší nebo roven Ф_a, vidí rozhraní jádro–plášť jako ideální zrcadlo, od kterého se bezeztrátově odrazí do jádra (jejich úhel dopadu na rozhraní jádro–plášť je vždy větší než φ_c). Toto se neustále opaku až na samý konec vlákna. Takto optické vlákno „vede“ paprsky od začátku vlákna na konec.

Paprsek B-úhel navázání je větší než mezní úhel navázání Ф_a, tímto není splněna podmínka totálního odrazu na rozhraní jádro–plášť.Na rozhraní dojde ke klasickému lomu,kde část výkonu je ztracená při odrazu se přenese do paprsku lomeného,šířícího se pláštěm.Paprsek ztrácí svůj výkon ve formě lomených paprsků v plášti,bude sice existovat ale značně utlumen při každém odrazu jádro/plášť až zanikne.

Z dosavadních úvah vyplývá, že čím větší je numerická apertura NA, tím je účinnost navázání zdroje energie jádra lepší, tím menší jsou i požadavky na směrovost vyzařovací charakteristiky zdroje. Pro větší úhly vstupu energie do jádra dochází k většímu rozptylu v délce drah paprsků jednotlivých vidů, a tím i k většímu rozdílu dob příchodů paprsků na konec detektoru. Dochází tak k většímu zkreslení signálu. Lze tak dojít k závěru, že světlovod s větší aperturou má menší šířku přenášeného kmitočtového pásma.

Ztráty optického signálu vznikají při napojování zdroje na vlákno. Ztráty budou rovněž závislé na vzájemném geometrickém uspořádání zdroje a optického vlákna.

Ztráty vyplývající z nesouladu vyzařovací plochy zdroje a průřezu vlákna. Čím větší je vysílací plocha zdroje než průřez jádra, tím méně je převedeno světlo vlákna. Velikost ztráty světelného výkonu vyplývající z nesouladu vysílací plochy zdroje a průřezu jádra je dána vztahem:

`K = 10 log(A_c/A_s) [dB]`

A_c je průřez jádra vlákna
A_sje plocha světelného zdroje promítnutého do roviny konce vlákna

Disperze

Disperze je příčinou zkreslení přijímaného signálu.

Disperzi můžeme rozdělit na následující základní části:

vidová disperze
chromatická disperze
polarizační disperze

Vidová disperze

Vidová disperze se uplatňuje v mnohovidových vláknech. Každý paprsek dorazí díky rozdílnosti délek drah na konec vlákna v rozdílných časových okamžicích. Impulz získaný z jednotlivých paprsků se liší tvarem i amplitudou od vstupního impulzu (obr. 20 a obr. 21).

Tento jev se projevuje u dlouhých vláken při přenosu dat na větší vzdálenosti a omezuje počet impulzů, které mohou být za určitý časový interval vyslány. Při přenosu na velké vzdálenosti (větší než 1 km) dochází k tomu, že různé paprsky (vidy) nejsou přeneseny od začátku vlákna na jeho konec za stejnou dobu. Tento typ disperze působí na tvar výstupního impulsu takovým způsobem, že dochází k jeho zkreslení. Vyšleme-li do vlákna řadu obdélníkových impulzů, bude na jeho výstupu řada širších výstupních impulzů o zmenšené amplitudě, které se navzájem překrývají (obr. 21).

Vidová disperze omezuje mezní šířku pásma či přenosovou rychlost a nebo vzdálenost, na kterou data vláknem přenášíme. Aby měly impulzy na výstupu vlákna vhodný tvar pro jejich detekci, nemohou mít libovolně vysoký kmitočet.

Vidová disperze je zmenšována uspořádáním vlákna, zejména používáním vláken s gradientní změnou indexem lomu. U jednovidových vláken vidová disperze zcela odpadá.

Obr. 21: Vznik disperze

Obr. 22: Rozšíření výstupních impulsů vlivem disperze

Vidová disperze

Chromatická disperze

Používané zdroje záření nejsou ideálně monochromatické, ale vyzařované optické záření obsahuje určité spektrum vlnových délek. Každá složka tohoto spektra má ve vláknu odlišnou rychlost šíření. S vlnovou délkou se mění index lomu. To způsobí, že na konec vlákna dorazí jednotlivé spektrální složky v jiném časovém okamžiku. Skládají se vzájemně časové posunuté, mají jiný časový průběh než na začátku vlákna (obr. 22, vlnové délky λ ₁, λ ₂, λ ₃)

Protože disperze omezuje šířku kmitočtového pásma vlákna, je jí omezena i vzdálenost, na jakou můžeme data přenášet.

U standardních SMF je chromatická disperze v oblasti 1 310 nm nulová a na 1 550 nm je taková, že může omezovat jejich použití, tzn. přenosovou rychlost či vzdálenost.

Obr. 23: Změna barevného rozložení na výstupu vlákna

Chromatická disperze

Polarizačni vidová disperze

U jednovidových vláken se projevuje polarizační vidová disperze (PMD – Polarization Mode Dispersion). Jediný vid, šířící se jednovidovým vláknem, se šíří ve dvou vzájemně kolmých polarizačních rovinách. Jakákoliv kruhová nesymetrie vlákna (ať z výroby nebo mikroohyby způsobenými montáží nebo vnějším tlakem) způsobí šíření obou polarizací jinou rychlostí a tedy rozšíření impulzu nebo zkreslení analogového signálu. Tento parametr se stává důležitým v souvislosti s růstem přenosové rychlosti nad 2,5 Gb/s a může mít vliv i na širokopásmové analogové přenosy jako jsou např. signály kabelové televize.

Polarizační disperze je mnohem menší než ostatní druhy disperze.

Obr. 24: Vliv PMD na přenos signálu

Polarizační vidová disperze

Útlum světelného signálu v optickém vláknu

Podobně jako u metalických vedení, také v optickém vláknu výkon signálu se vzdálenosti od zdroje signálu postupně klesá. Útlum optického vlákna je zpravidla udáván v dB/km. Je měřítkem ztrát optické energie ve vlákně. Je definován jako poměr vstupního světelného výkonu P₁ a výstupního světelného výkonu P₂ pro danou vlnovou délku λ podle vztahu:

`u(λ) = 10 log(P_1/P_2) [dB]`

Hlavními příčinami útlumu světelného signálu v optickém vláknu jsou absorpce a rozptyl světelných paprsků. Ztráty vznikají:

přímo v materiálu vlákna;
na rozhraní prostředí vlákna;
při spojování vláken;
na mikroohybech a makroohybech optického vlákna.

V reálném optickém vlákně existuje řada příčin zvyšování útlumu přenášené energie.

Celkový měrný útlum je dán sumou jednotlivých složek podle vztahu:

`α =α_A + α_R + α_N + α_(MO) + α_O`

α_Aútlum absorpcí
α_R Rayleighův rozptyl
α_Nrozptyl na makroskopických neregularitách
α_MO rozptyl na mikroohybech
α_O rozptyl na makroohybech a jiných deformací

Obr. 25: Útlum optických vláken

Útlum absorpcí

Ztráty v materiálu jádra se projevují ve vlastní a nevlastní absorpci a rozptylem v materiálu jádra. Všechny ztráty jsou závislé na vlnové délce optického záření.

Vlastní absorpce spočívá v pohlcení části optického záření vlastními molekulami materiálu optického vlákna (např. SiO₂). Křemenný materiál vykazuje absorbční maxima jak v ultrafialové tak i v infračervené oblasti.

Nevlastní absorpce je způsobena pohlcením části optického záření molekulami nečistot, které do vlákna pronikly při jeho výrobě. Nevlastní absorpce jsou zaviněny přítomností iontů kovů Fe, Cu, Cr a vody ve skle optického vlákna, které mohou vniknout do materiálu vlákna při výrobě a taktéž v důsledku špatně provedené vnější ochrany. U kvalitnějších skel musí být koncentrace iontů nižší než 10^-9pro ionty kovů a než 10^-7 pro ionty vody.

Při žíhání vyráběného vlákna dochází ke složitým chemickým reakcím, na kterých se významně podílí voda. Ve vláknu po žíhání zůstávají ionty hydroxylu OH-, které způsobují na některých vlnových délkách absorpci optického záření.

Obr. 26: Absorpce

Útlum absorpcí

Rayleighův rozptyl

Vzniká jako důsledek elastických kolizí mezi procházejícím optickým zářením a molekulami hmoty jádra optického vlákna. Vznikají lomy a odrazy částí paprsků, které se následkem toho tříští do všech směrů. Rozptýlené optické záření, které změnilo směr šíření a je odkloněno, takže pronikne do pláště, se ztratí.

Ztráty rozptylem jsou způsobeny tím, že molekuly v amorfním (amorfní látka nemá krystalickou mřížku s pravidelnými uspořádanými částicemi–sklo, plyny a téměř všechny kapaliny) materiálu náhodně rozložené tvoří mikronehomogenity indexu lomu materiálu. Jsou-li tyto nehomogenity a drobné nečistoty rozměrové malé proti vlnové délce, pak rozptylové ztráty na na nich vznikající se nazývají Rayleighovy. Prakticky jsou přítomny vždy a mají charakter rozptylu všesměrového, neboli paprsky se tříští po dopadu na nehomogenitu do všech stran, a tím je část výkonu ztracena.

Obr. 27: Rayleighův rozptyl

Ohyb vlákna

Při ohýbaní optického vlákna dochází ke změně úhlů dopadu a odrazu přenášených paprsků. To může mít za následek, že některý paprsek překročí mezní hodnotu úhlu odrazu a nevrátí se do jádra vlákna, ale pronikne do pláště. Na výstup vlákna se potom dostane menší počet paprsků, než kolik jich bylo na jeho vstupu.

Obr. 28: Šíření paprsků v ohybu vlákna se skokovou změnou indexu lomu

Tento jev je z hlediska přenosových aplikací optických vláken nežádoucí. Na druhé straně je možné jej využít při konstrukci optických senzorů založených na zakřivování optického vlákna. Aby nedocházelo k velkým ztrátám při ohybu, je nutné dodržovat pokyny výrobce a vlákno ohýbat s co největším poloměrem.

Minimální poloměr ohybu vlákna je nejmenší ohyb, který je možné při instalaci vlákna použít. Je závislý na průměru optického vlákna, případně kabelu a na materiálu, ze kterého je vlákno vyrobeno. Čím je průměr vlákna větší, tím větší je minimální poloměr ohybu. Vlákna z plastu mají při stejném průměru menší minimální poloměr ohybu než skleněná. Z praxe vyplynulo pravidlo, že:

krátkodobě je možné, aby poloměr ohybu nebyl menší než stonásobek poloměru skleněného vlákna;
při dlouhodobé instalaci by neměl být poloměr ohybu menší než 200–600 násobek poloměru skleněného vlákna (podle dokumentace pro instalaci daného typu vlákna).

Výše uvedené hodnoty jsou pouze orientační, v praxi je nutné řídit se katalogovými údaji výrobce.

Ohyb a jeho vliv na útlum optického vlákna

Jednou z důležitých vlastností optických vláken je jejich citlivost na ohyby, která se projevuje nárůstem útlumu vlákna. Tato vlastnost je důležitá jednak z hlediska zvýšení vlastního útlumu optické trasy, ale ještě důležitější je tento jev z hlediska detekce a lokalizace potenciálních poruch na vlákně. V místě ohybu je optické vlákno daleko náchylnější na poškození.

Ohyby můžeme rozdělit na makroohyby a mikroohyby.

Ztráty na makroskopických neregularitách

Makroskopické neregularity jsou především makronečistoty, vzduchové bublinky, trhlinky v materiálu, dále poruchy tvaru a rozměrů hranice mezi jádrem a pláštěm, excentricita a eliptičnost jádra atp. Ztráty vznikající na makroskopických neregularitách lze podstatně omezit vhodnou technologií výroby vláken. Všechny tyto ztráty se zahrnují společně pod ztráty vlákna, které uvádí výrobce. K těmto ztrátám dále přibývají ještě ztráty způsobené porušením dokonalé geometrie,které vznikají při praktickém použití vlákna.

Ztráty mikroohyby

Mikroohyby jsou poruchy přímočarosti osy vlákna a malé chyby v geometrii vlákna. Vznikají při výrobě a také působením okolních elementů, které deformují plášť kabelu, ale způsobují pouze malý ohyb vlákna. Na mikroohybech jsou některé paprsky (vidy) odráženy pod velkým úhlem, unikají mimo jádro optického vlákna a dochází tak ke zvětšení jeho útlumu.

Mikroohyby, které mají poloměr křivosti srovnatelný s vlnovou délkou optického záření jsou poruchy přímočarosti osy světlovodu a vznikají již při výrobě vlákna a pak dále také v optickém kabelu působením okolních elementů na vlákno. Amplituda mikroohybů bývá okolo 1 mm a opakovací perioda délky jednotek a desítek mm. Jelikož se mikroohyby vyskytují po celé délce optického vlákna, mohou výrazně ovlivnit jeho útlum. Jejich výskyt je náhodný a zkoumáme je statistickými metodami.

Obr. 29: Mikroohybové ztráty

Ztráty makroohyby

Makroohyby vlákna jsou běžné při praktickém použití vlákna, ať již z důvodu připojení ke zdroji a detektoru, nebo z důvodu nerovnosti trasy. Dojde-li k ohybu vlákna pod určitou mez poloměru křivosti, mohou tyto ohyby způsobit vyzařování energie z vlákna, a tím i růst útlumu.

Makroohyby s větším průměrem ohybu (mm, cm) vznikají běžně při práci s optickými vlákny (např. v optických rozvaděčích a spojkách, kde je třeba dbát na průměr ohybu vláknových rezerv). Vlákno optické trasy by nemělo být nikde vystaveno ohybu o menším průměru než 60 mm. Jedním z důvodu měření optických tras je právě nalezení takovýchto nadměrných ohybu vzniklých při montáži trasy.

Velikost útlumu optického vlákna způsobeného ohybem závisí obecně v první řadě na velikosti průměru ohybu, kterému je vlákno vystaveno.

Obr. 30: Makroohybové ztráty

U jednovidových vláken (SM) se zásadním způsobem uplatňuje také konstrukce optického vlákna, zejména průměr vidového pole vlákna, a dále rozdíl indexu lomu jádra a pláště vlákna a profil indexu lomu ve vlákně. Průměr vidového pole klíčovým způsobem ovlivňuje ohybovou citlivost vlákna. V zásadě platí že čím je průměr vidového pole větší, tím je vlákno na ohyby citlivější – vid se šíří ve vlákně více roztažen a snadněji se jeho energie v místě ohybu vyvazuje z vlákna ven. Velikost průměru vidového pole vychází z konstrukce optického vlákna (průměr jádra vlákna, rozdíl indexu lomu jádra a pláště) a také na vlnové délce signálu.

Odraz paprsků

Fresnelův odraz se uplatňuje při navázání optického záření do optického vlákna, kdy se část optického záření odráží od čela vlákna a vrací zpět ke světelnému zdroji. Stejným způsobem se tento mechanizmus ztrát uplatňuje na konci optického vlákna.

Difúzní odraz – nastává na mikroskopických nerovnostech a vadách materiálu v oblasti odrazu nebo lomu optického záření. Množství difúzně odraženého optického záření je dáno koncentrací bodových poruch v místě dopadu optického záření.

Obr. 31: Odraz ve spoji dvou vláken

Vazební ztráty na spojích optického vlákna

Požadavkem pro snížení ztrát na co možná nejmenší míru je souosost, těsný a opticky upravený styk ploch.

Ztráty nedokonalým nastavením

Základní zdroje ztrát jak u konektorů, tak u pevných spojek, jsou odchylky ve vzájemném nastavení čel vláken, které mohou být trojího typu, vyskytující se buď jednotlivě nebo ve vzájemné kombinaci. Při spojování je potřeba tyto odchylky minimalizovat. Jsou to:

radiální odchylka
axiální posuv
úhlová odchylka

1. Radiální odchylka vzniká radiálním posuvem vláken vůči jejich ose a tvoří největší podíl jejich celkové hodnoty. Ztráty jsou způsobeny odchylkou od přesného nastavení soukrytu jader obou vláken, může být způsobena tolerancí v průměru vlákna, excentricitou jádra vlákna vzhledem k ose vlákna nebo výrobními tolerancemi konektoru. Ztráty souosostí vláken jsou způsobeny nepřesností spojování vláken, kdy dochází k posunutí os vláken a část paprsků není navázána do jádra navazujícího vlákna. Z toho vyplývá nutnost vysoké přesnosti při spojování vláken, zejména u vláken malých průměrů jader.

2. Axiální posuv vzniká, pokud jsou čela vláken nebo ferulí od sebe příliš vzdálena a z tohoto důvodu část paprsků dopadá do oblasti pláště navazujícího vlákna.

U konektorů je malý definovaný posuv zaveden konstrukčně proto, aby nedošlo k poškození optických vláken při spojování konektorů jejich vzájemným nárazem. Tento typ ztrát závisí na NA vláknech, neboť velká divergence způsobí nižší navázaný výkon do druhého vlákna.

3. Úhlový posuv, který se obvykle nepodílí na ztrátách u konektorů, vzhledem k přesnosti výroby ferulí konektorů a obecně též vzhledem k nižší citlivosti ztrát na tuto odchylku.

Obr. 32: Odchylky v nastavení jader OV při jejich spojování: a) radiální posuv, b) axiální posuv, c) úhlové natočení

Ztráty při rozdílném průřezu spojovaných vláken – jsou způsobeny spojováním vláken s rozdílným průřezem jader, kdy část paprsků dopadá na plášť následujícího vlákna (obr. 31).

Obr. 33: Ztráty způsobené různými průměry vláken

Vliv montáže na útlum optického vlákna

V praxi můžeme hodnotu útlumu trasy ovlivnit především kvalitou pokládky a montáže spojek a dodržováním zásad pro povolené ohýbání kabelů apod.

Obsah OH-

Zbytková vlhkost, která zůstala ve vláknu v průběhu výrobního procesu ve formě iontů OH-, ovlivňuje na určitých vlnových délkách útlum vlákna. Z tohoto hlediska jsou vyráběna vlákna s velkým nebo malým obsahem OH-, ultra low, low, high a ultra high OH-. Vlákna s nízkým obsahem OH- (ve výrobní dokumentaci mají označení „low OH“) tvoří několik málo skupin - jsou určena pro použití v blízké infračervené oblasti (NIR).

Vlákna s vysokým obsahem OH- (ve výrobní dokumentaci mají označení „high OH~“) jsou vyráběna ve více skupinách – jsou používána pro různé aplikace.

UV/VIS (ultrafialové/viditelné) oblasti světelného záření.

Obr. 34: Ttypický průběh útlumu vlákna s vysokým obsahem OH- v závislosti na vlnové délce optického záření. Na obrázku je zřetelné zvýšení útlumu vlivem OH absorpce v okolí vlnové délky 1 380 nm.

Parametr MFD

MFD (Mode Field Diameter) tento parametr uvádějí výrobci optických vláken pro jednovidová vlákna místo průměru jádra parametr MFD. Ve vláknu se optické záření šíří většinou v jádru, ale částečně i v plášti.

Definice parametru MFD je zřejmá z obrázku 33. V pravé části je znázorněna tzv. Gaussova křivka. Gaussův model rozložení intenzity optického záření velmi úzce odpovídá změřeným výsledkům.

MFD je konstanta, která udává šířku, ve které je intenzita přenášeného optického záření větší nebo rovna 0,135 z maximální intenzity, I (MFD) 0,135/max. Je nutné si uvědomit, že vidový průměr je závislý na vlnové délce. Čím je vlnová délka kratší, tím menší je MFD. Tento parametr je důležitý také pro výpočet útlumu vlákna při spojování vláken, která mají stejné geometrické rozměry, ale různý MFD.

Obr. 35: Rozložení intenzity světla v jednovidovém vláknu