Optické komunikace 1 pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

Transkript

1 VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA Fakulta elektrotechniky a informatiky Optické komunikace 1 pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Garant předmětu: Vladimír Vašinek Autor textu: Vladimír Vašinek Ostrava 2014 Vznik těchto skript byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/ Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky.

2 Za odbornou náplň tohoto vydání odpovídá autor. Vladimír Vašinek je profesorem na Fakultě elektrotechniky a informatiky VŠB-Technické univerzity v Ostravě, kde přednáší předmět Optické komunikace 1 pro studenty navazujícího magisterského studia, kurz Optické komunikace 1 je na fakultě nabízen ve studijním programu Informační a komunikační technologie. Vznik skript byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/ Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky. Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou. Vladimír Vašinek, 2014, VŠB-Technická univerzita Ostrava Autor: Vladimír Vašinek Katedra: Katedra telekomunikační techniky Název: Optické komunikace 1 pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Místo, rok, vydání: Ostrava, 2014, 1. vydání Počet stran: 119 Vydala: Vysoká škola báňská-technická univerzita Ostrava Náklad CD-ROM, 500 ks Neprodejné ISBN

3 PŘEDMLUVA Skripta jsou určena pro studenty předmětu Optické komunikace 1 na Katedře Telekomunikační techniky. Tato skripta představují úvodní studijní text, který je doplněn dalšími studijními materiály, které mají svůj původ ve společném projektu. Studijní text vycházel z učebnic, které jsou používány na významných zahraničních univerzitách podobného zaměření, jako je studium na FEI VŠB TU Ostrava. Optické a obecněji fotonické komunikace jsou dnes dynamicky se rozvíjejícím oborem, kterému bude patřit pro následující období budoucnost. Do té patří systémy UHWDM, nanofotonika, koherentní optické komunikace, komunikace ve viditelném světle, mikrostrukturní vláknově optické systémy, vláknově optické senzory a planární senzory a další. Výčet rychle se rozvíjejících oblastí je značný a je přímým důsledkem snahy o dosažení co největších přenosových kapacit dosažitelných na velké vzdálenosti, slučování více funkcionalit do jediné struktury, snaha o posun ve zpracování signálu optickými metodami v maximální možné míře. Předložený text představuje úvod do studia. Myšlenkově sleduje dvě rozdílné úrovně. V první jsou uvedeny základy optických vláken, ve druhé pak zpětný návrat k problematice optických vláken, ale na podstatně hlubší úrovni. V Ostravě říjen 2014 Vladimír Vašinek Vladimír Vašinek (1956) je profesorem oboru Elektronika a sdělovací technika na FEI VŠB TU Ostrava. Jeho profesní orientace je v oblastech optoelektroniky, optických komunikací a vláknově optických senzorů. Je členem řady organizací SPIE, Evropská optická společnost EOS, Americká optická společnost OSA, ČSF, JČSMF. Podílí se na organizaci národních a mezinárodních konferencí a sympozií, jichž se také aktivně účastní. Velkou pozornost věnuje spolupracím s dalšími organizacemi v rámci projektů a grantů. Je odpovědným řešitelem cca 30 projektů a grantů od různých poskytovatelů GAČR, TAČR, MV ČR, MŠMT, MPO, a dalších. Vede diplomové práce a je školitelem řady doktorandů, z nichž 7 úspěšně ukončilo svá studia. 1

4 Obsah 1 Historický vývoj optických komunikací Obecné schéma optického komunikačního systému Výhody vláknově optických komunikací Základy optických vláken Základní struktura optického vlákna vlákno se skokovou změnou indexu lomu Úplný vnitřní odraz, index lomu jádra a pláště Úplný vnitřní odraz, mezní úhel na rozhraní jádra a pláště a mezní úhel šíření Zavedení světla do optického vlákna numerická apertura Příjmový úhel Útlum optických vláken Ohybové ztráty Makroohybové ztráty Mikroohybové ztráty Rozptyl Absorpce Základní absorpční mechanismus Okna propustnosti Výpočet útlumu Úvod do měření útlumu optických vláken Vidová (módová) a chromatická disperze Vidy (módy) optických vláken Co to jsou vidy (módy)? Počet módů optického vlákna Fyzikální význam módů Módová disperze Jak postupuje vstupní optický puls vláknem? Výpočet časového rozšíření optického pulsu První způsob řešení módové disperze gradientní vlákna Základní myšlenka a struktura gradientního vlákna Míra redukce módové disperze GI vlákny Výhodnější způsob řešení módové disperze jednomódová vlákna Struktura jednomódového vlákna (SM vlákna) Přehled problematiky módové disperze

5 6.5 Materiálová disperze Základní příčina vzniku materiálové disperze Výpočet rozšíření pulsu vlivem materiálové disperze Přenosová rychlost a šířka pásma Definice přenosové rychlosti a šířky pásma Disperze a přenosová rychlost Výpočet přenosové rychlosti Jak výrobci specifikují disperzi optických vláken Shrnutí kapitoly Základy optických vláken Podrobnější popis optických vláken Planární světlovody průchod světla gradientním prostředím Úvod Jednorozměrná rovnice paprsku Trajektorie paprsku v homogenním prostředí Trajektorie paprsku v parabolickém prostředí Výpočet doby průchodu paprsku Disperze pulsu v prostředí s parabolickým profilem indexu lomu Fázová a grupová rychlost Fázový posuv při úplném vnitřním odrazu a evanescentní pole Goos-Haenchenův posuv Cylindrická vlákna Vidy (módy) optických vláken Módová vazba Vedení výkonu optickým vláknem Poyntingův vektor Přenos výkonu optickým vláknem, rozdělení výkonu mezi jádro a plášť Počet módů a měření útlumu Mezní vlnová délka Mezní podmínka a úplný vnitřní odraz Mezní vlnová délka Efektivní index lomu Podrobnější popis útlumu v optických vláknech Obecný přístup Intrinzitní ztráty

6 9.2.1 Materiálové rezonance a Rayleigho rozptyl Extrinzitní ztráty - absorpce Extrinzitní ztráty ohybové ztráty Makroohybové ztráty Mikroohybové ztráty Módy, útlum a útlumová konstanta Módy a útlum Měrný útlum a útlumová konstanta Podrobnější popis disperze v multimódových vláknech Obecný komentář Dělení disperzí a celková disperze Elektrická a optická šířka pásma Módová disperze podrobnější popis Chromatická disperze-materiálová disperze Základní pojmy a definice Praktické výpočty materiálové disperze Sellmeierovy relace Šířka spektrální čáry Vlnovodová disperze Šířka pásma multimódových vláken Vliv disperze na přenášený výkon Shrnutí kapitoly podrobnější popis optických vláken

7 1 Historický vývoj optických komunikací Komunikace mohou být široce definovány jako přenos informace z jednoho bodu do jiného nebo jiných bodů. Má-li být informace přenášena na určitou vzdálenost, obvykle pro takový přenos je potřeba použít komunikační systém. V komunikačním systému je informace často přenášena tak, že informace je namodulována na elektromagnetickou vlnu, která slouží jako nosič pro informační signál. Tento nosič spolu s namodulovanou informací je pak přenášen do požadovaného místa, kde je přijat přijímačem a pomocí demodulace je získán původní informační signál. Postupem doby byly vyvinuty sofistikované techniky modulací, které využívaly elektromagnetických nosných vln jednak radiových, jednak mikrovlnných a vln milimetrových frekvencí. Komunikace však mohou probíhat nejen využitím elektromagnetických vln radiových frekvencí, ale také výběrem vln optických frekvencí. Myšlenka využít optické kmitočty, a tedy světla pro komunikace se objevila před mnoha lety. Na počátku to byly jednoduché systémy, jakými jsou signální ohně, systémy odrazných zrcadel, signálních lamp, které poskytovaly úspěšné přenosy limitované množstvím přenesené informace (nízkými přenosovými rychlostmi). Alexandr Graham Bell představil přenos hlasu za užití světelného svazku v roce Jeho fotofon se objevil čtyři roky po objevu telefonu s modulací slunečního světla membránou a umožnil přenos hlasu na vzdálenost přibližně 200 m. Ačkoliv výzkumy optických komunikací pokračovaly dále na počátku 20. Století, byly omezeny na atmosférické komunikační systémy s malou přenosovou kapacitou. To bylo způsobeno jednak nedostatkem vhodných zdrojů světla a problémy, které přinášel přenos světla atmosférou. Takový přenos je omezován vlivy počasí, které se projevuji jako poruchy přenosu. Patří zde zejména déšť, sníh, mlha, prach a turbulence atmosféry. Mezitím vývoj přenosových prostředků na nižších frekvencích a tím větších vlnových délkách (radiové přenosy) poskytl vhodné nosné frekvence pro atmosférické přenosy, které byly mnohem méně ovlivněny atmosférickými podmínkami. V závislosti na jejich vlnových délkách byly tyto elektromagnetické nosné přenášeny na velké vzdálenosti, ale množství přenesené informace záviselo na použité frekvenci. Přenosová kapacita informačního kanálu je určena Shannon-Hartleyho teorémem C=BW.log 2 (1+SNR) (1) C informační kapacita kanálu (bit.s -1 ), BW šířka pásma přenosového kanálu v Hz, SNR je poměr výkonu signálu a šumu. 5

8 To značí, že můžeme přenést tím více informace, čím vyšší frekvenci použijeme jako nosič signálové informace. Z tohoto důvodu se pro radiové komunikace používají stále vyšší frekvence (VHF a UHF a vyšší), které vedou k využívání pásem mikrovlnných, popř. vln milimetrových. Souvislost mezi frekvencemi a jejich vlnovými délkami je vyznačena na obr.1 [1]. V této souvislosti je vhodné si uvědomit, že optické komunikace nabízejí šířku pásma přibližně o čtyři řády ve frekvenci větší, než jsou nejvyšší dosažitelné frekvence radiovými vlnami v mikrovlnné oblasti spektra. Obr. 1 Elektromagnetické spektrum s vyznačením rozsahu optických komunikací Obnovený zájem o optické komunikace byl stimulován objem laseru v roce Jeho základní výhodou bylo poskytnutí jednak vysokého optického výkonu koherentního světla v úzkém paprsku, který dovoloval modulace ve vysokých frekvencích. Tyto frekvence dosahovaly hodnot kolem 1 GHz a spolu s malou rozbíhavostí laserového svazku podstatně zvýšily možnosti optických atmosférických přenosů, které se začaly používat v praxi. Dosah těchto spojů byl omezen na desítky až stovky metrů a hlavní užití tyto systémy našly jako spoje mezi přenosovými vozy a stacionárními kamerami při televizních přenosech a pro spoje mezi nepříliš vzdálenými objekty. V té době rovněž probíhal intenzívní výzkum pro užití těchto systémů pro komunikaci mezi satelity na oběžných drahách. Mimo atmosférické přenosy, objev laseru urychlil rovněž výzkum jiných přenosových prostředí, jakými jsou optické světlovou a vlnovody. V roce 1966 Kao a Hockham vyvinuli tech- 6

9 nologii výroby křemenných optických vláken s útlumem 20 db.km -1 na vlnové délce 850 nm. Tím začala být optická vlákna schopna soutěžení s koaxiálními kabely, které měl do té doby výsadní postavení díky malým hodnotám útlumu (typicky 5-10 db.km -1 ). Spolu s tím bylo nutno řešit problémy spojené s kabelováním optických vláken, jejich spojování a zakončování. V průběhu krátké doby, cca 10 let, byly konektory a metody spojování zvládnuty natolik, že optická vlákna začala být masivně nasazována, protože jejich útlum poklesl pod 5 db.km -1 na vlnové délce 850 nm. V krátké době bylo dosaženo pozoruhodných výsledků, ke kterým lze zařadit přenosy na vzdálenost 200 km při přenosové rychlosti 2,5 Gbit.s -1 pomocí jednovidového vlákna. Přenos probíhal na vlnové délce 1,55 m. Při kratších vzdálenostech bylo možné zvýšit přenosové rychlosti až na 10 Gbit.s -1. Další výzkum ukazoval, že přímá modulace laserových diod není možná pro zvýšení přenosové rychlosti a bylo nutno přejít k externím modulátorům při konstantním optickém výkonu laserové diody na jejím výstupu. Takto lze dosáhnout přenosových rychlostí 40 Gbit.s -1 a připravují se přenosové systémy s rychlostmi 100 Gbit.s -1. První komunikační systémy s přenosovými rychlostmi nad 1 Gbit.s -1 pracovaly na vlnové délce 1,3 m, kde křemenné optické vlákno vykazovalo nulovou chromatickou disperzi, speciálně, pokud bylo použito jednovidové vlákno. Tato vlákna brzy začala převládat v optických komunikačních sítích. Avšak nejnižších hodnot útlumu bylo dosaženo pro vlnové délky 1,57 m a velikost útlumu byla 0,1484 db.km -1. Pro tuto vlnovou délku je chromatická disperze výrazně větší než pro vlákno na vlnové délce 1,3 m při stejném profilu indexu lomu a materiálu. Původní vlákna pro 1,3 m se nazývají konvenční vlákna a tvoří dnes rozhodující slupinu optických vláken v telekomunikacích. Jejich zásadní nevýhodou je velká chromatická disperze pro vlnové délky s minimem útlumu. Aby bylo možné využít obou výhodných vlastností nulová chromatická disperze a minimální útlum, bylo nutno hledat nové komplikovanější struktury jednovidových vláken. Objevily se nové typy optických vláken: vlákno s posunutou disperzní charakteristikou, vlákno s plochou disperzní charakteristikou, vlákno s potlačeným absorpčním maximem OH iontů, vlákno s posunutou disperzní charakteristikou se zbytkovou disperzí. Vývoj v technologiích optických vláken akceleroval v minulém období. Některé z dříve favorizovaných oblastí zájmu, jakými byly např. vlákna pro infračervenou oblast (2-5 m) a pro vzdálenou infračervenou oblast (8-12 m), se nepotvrdily v praxi v aplikacích s extrémně nízkým útlumem (typicky 0,01 db.km -1 pro vlnovou délku 2,55 m). 7

10 Novým typem optických vláken, která jsou založena na objevu fotonických energetických pásů, které dovolují vývoj zcela nových typů materiálových struktur schopných vést světlo. Tyto struktury mohou mít podobu krystalů nebo optických vláken. Jedna z forem fotonických vláken má podobu mikrostrukturní mřížky, která je tvořena pravidelnou děrovou strukturou podél celého vlákna. Tato vlákna mají některé výrazně odlišné vlastnosti, jsou jednovidová, přenášejí podstatně vyšší optické výkony ve srovnání s konvenčními optickými vlákny. Další typy mikrostrukturních vláken jsou vhodné pro kompenzace disperze vláken, jako laditelné filtry a další aplikace. Tyto nové prvky optických komunikačních systémů zatím představují okrajové aplikace v optických komunikacích, kde převládají klasické prvky konektory, spojky, svary, vazební prvky, spolu s aktivními součástkami (zdroje, detektory, zesilovače, atd.), které dosáhly vysokého stupně vyspělosti. Optické vláknové komunikační systémy s vysokou účinností jsou dnes široce využívány v telekomunikačních a datových sítích a dalších oblastech, jakými jsou vláknově optické senzory a jejich sítě. 2 Obecné schéma optického komunikačního systému Optické komunikační systémy se v podstatě neliší od libovolného komunikačního systému ve svých základních rysech. Obecné schéma komunikačního systému je na obr. 2, jeho hlavní funkcí je transport signálu ze zdroje informace přes přenosové médium do místa určení. Komunikační systém se teda skládá z vysílače a modulátoru připojených ke zdroji informace, přenosového média a přijímače s demodulátorem v místě určení. V komunikacích založených na přenosu proudů a napětí poskytuje zdroj informace elektrické signály, které jsou obvykle odvozeny od nosiče zprávy. Ten nemusí mít elektrický původ (např. hovor v podobě akustických vln), je vždy ve vysílači pomocí elektronických prvků přetransformován do podoby vhodné pro přenos přenosovým médiem. Toho se často dosahuje modulací nosné elektromagnetické vlny, jak bylo uvedeno dříve. Takové přenosové médium je tvořeno kroucenými páry, koaxiálními kabely nebo radiovými linkami a tímto médiem se signál přenáší k přijímači v místě určení. Zde je přeměněn do původního elektrického signálu (demodulován) a dopraen do místa určení (např. sluchátka). Při přenosu médiem si musíme uvědomit, že přenášený signál je tlumen, je zkreslen díky kontaminaci šumovými signály a dalšími nahodilými ději a ke zkreslení přispívají rovněž vlastní změny přenosového kanálu. Přímým důsledkem těchto vlastností je existence meze (vzdálenosti), za kterou již komunikační systém přestává být schopen zajistit srozumitelnou komunikaci. 8

11 Při přenosech na velké vzdálenosti tyto jevy vedou k nutnosti použití opakovačů, linkových zesilovačů ve vzdálenostech, kdy dojde k odstranění zkreslení signálu nebo se zvýší úroveň signálu před jeho dalším zavedením do komunikační trasy. Zdroj informace Místo určení Vysílač (modulátor) Přenosové médium Přijímač (demodulátor) Komunikační systém Obr. 2 Schéma obecného komunikačního systému Zdroj informace Místo určení Elektrický vysílač Elektrický přijímač Optický zdroj Optický kabel s vlákny Optický detektor Vláknově optický komunikační systém Obr. 3 Schéma optického komunikačního systému 9

12 Pro optické komunikace platí obecné schéma, které je uvedeno na obr. 2. Toto schéma je pro optické komunikace rozšířeno, protože zdroj informace obvykle poskytuje elektrický signál, který je veden do vysílače. Ten se skládá z elektrické části, která řídí optický zdroj a moduluje optickou nosnou. Jedině tato může být přivedena k přenosovému médiu a dále být tímto médiem přenášena, viz obr. 3. Optickým zdrojem, který provádí přímou přeměnu elektrického signálu na optický, je buď polovodičový laser, nebo elektroluminiscenční dioda (dále jen LED). Přenosové prostředí se skládá z optického kabelu obsahujícího optická vlákna. Na opačné straně optického kabelu se nachází optický přijímač, ve kterém je fotodetektor a jeho řídicí obvody a následný elektrický stupeň pro demodulaci přenášeného signálu. Pro optickoelektrickou konverzi se používají detektory, kterými jsou PIN a APD (lavinová fotodioda) a v některých případech rovněž fototranzistory. Optická nosná může být modulována jak analogovým, tak digitálním signálem. Podle schématu na obr.3 je analogová modulace představována změnou světelného výkonu vystupujícího z optického zdroje a tato změna výkonu je spojitá. Při digitální modulaci dochází k diskrétním změnám optického výkonu a tyto změny mají obvykle dvojstavovou podobu (je světlo, není světlo, on-off modulace). Analogová modulace je jednodušší v návrhu optického komunikačního systému, z komunikačního hlediska je méně účinná, vyžaduje větší odstup signálu od šumu na straně přijímače a je citlivá na linearitu optoelektronických prvků (LD, LED, fotodiody) zejména pro vyšší kmitočty. Proto se obecně s analogovými systémy dnes setkáme jen při přenosech na kratší vzdálenosti a při menších požadavcích na šířku pásma. 10

13 Zdroj digitální informace Digitální výstup Kodér Dekodér Optický kabel Řídicí obvody laserové diody Zesilovač a ekvalizér Laser Lavinová fotodioda (APD) Obr. 4 Digitální vláknově optická komunikační linka s polovodičovou laserovou diodou a lavinovou fotodiodou Obrázek 4 ukazuje blokové schéma typické digitální optické přenosové trasy. Na počátku je zdroj digitální informace, který je vhodně kódován pro optický přenos. Laserový řídicí obvod přímo moduluje intenzitu světla vystupující z polovodičového laseru. Poté je optický signál zaveden do optického vlákna. Lavinová fotodioda v místě fotodetektoru je následována předzesilovačem a ekvalizérem nebo filtrem jednak pro dosažení vhodného zesílení, jednak lineárního průběhu charakteristiky a snížení šumové úrovně redukcí šířky přenášeného pásma. Poté je signál dekódován a je získána původní digitální informace. 3 Výhody vláknově optických komunikací Komunikace využívající optickou nosnou vlnu vedenou skleněným vláknem řadu pozoruhodných rysů. Některé z nich byly zřejmé v okamžiku, kdy se koncepce optických komunikací začala vytvářet. Řada dalších se objevila až s rozvojem technologie a nových materiálů, kdy byly překonány původní představy. Je vhodné srovnat komunikace založené na metalickém přenosovém prostředí se specifickými vlastnostmi, které jsou důsledkem vláknově optických přenosů. a) Extrémně velká šířka pásma. Optické nosné jsou charakterizovány frekvencemi, které leží v rozsahu od až k Hz. To značí, že jsou schopny poskytnout mnohem 11

14 větší šířku přenášeného pásma ve srovnání s metalickými kabelovými systémy (pro srovnání šířka pásma koaxiálního kabelu je typicky kolem 20 MHz a dovoluje přenos na vzdálenost kolem 10 km). Šířka přenášeného pásma optickými vlákny je mnohem větší i ve srovnání s rádiovými systémy (pro ty je typická šířka modulačního pásma do 1 GHz při přenosu na vzdálenost jednotek km). Pro srovnání je vhodným parametrem součin šířky pásma a vzdálenosti pro jedno vlákno, popř. pro metalický kabel. Typická velikost takového součinu pro optické vlákno při využití WDM technologie je kolem GHz.km ve srovnání s tímtéž součinem pro koaxiální kabel, kdy velikost součinu dosahuje MHz.km. Ukazuje se, že optické kabely jsou nejen schopny přenášet signály na větší vzdálenosti vlivem menšího útlumu, ale na tuto vzdálenost jsou přenášeny výrazně větší šířky pásma signálu. Jak již bylo zmíněno, jednou z podstatných výhod je vícenásobné využití optického vlákna pro signály přenášené světly odlišných vlnových délek. Maximální přenosové rychlosti na jednom kanálu (jedné optické vlnové délce) jsou 100 Gbit.s -1. Dnešní technologie dovoluje přenášet v jednom optickém vlákně současně 128 kanálů (vlnových délek), připravují se standardy pro 256 vlnových délek. Tyto hodnoty ukazují na vznik optických sítí odlišných konfigurací a topologií ve srovnání metalickými systémy nebo vláknově optickými prvních generací. b) Malé rozměry a hmotnost. Optická vlákna mají velmi malé rozměry, typicky 125 m vnější průměr optického pláště vlákna, což je hodnota menší, než je tloušťka lidského vlasu. Dokonce, jsou-li optická vlákna pokryta ochrannou plastovou vrstvou (primární a těsná sekundární ochrana optického vlákna), mají menší rozměry ve srovnání s metalickými vodiči. Standardní vnější průměry primární ochrany jsou 250 nebo 500 m, pro těsnou sekundární ochranu je vnější rozměr 900 m. Menší rozměry optických kabelů představují významné odlehčení jednak stožárů, jednak kabelovou v přetížených městských systémech, dovolují jejich nasazení v prostředcích, jakými jsou letadla, družice, lodě, apod. c) Elektrická izolace. Optická vlákna, která jsou vyrobena ze skla nebo v některých případech z polymerovaných plastů, či jejich kombinací, jsou elektrickými nevodiči a na rozdíl od jejich metalických protějšků nemají problémy s uzemněním a potenciálovými rozdíly na rozhraních. Tato vlastnost činí optická vlákna zajímavá pro nasazení v komunikačních systémech v elektricky nebezpečných prostředích, protože vlákna nevykazují jiskření při zkratech, nevznikají oblouky a výboje při přerušení vláken. 12

15 d) Imunita vzhledem k interferencím a přeslechům. Optická vlákna jsou tvořena dielektrickými materiály, a proto jsou odolná vzhledem k elektromagnetickým interferencím (EMI), radiofrekvenčním interferencím (RFI) a přechodovým jevům, které vznikají elektromagnetickými pulsy (EMP). Na činnost vláknově optických komunikačních systémů tedy nemá vliv jejich vedení silně rušivým prostředím, optické kabely nevyžadují žádné elektromagnetické stínění. Optické kabely jsou necitlivé na atmosférické elektrické výboje, pokud jsou použity jako závěsné kabely a jejich odolnost je vyšší v tomto uspořádání, než pokud jsou optické kabely uloženy v zemi. Pro optické kabely je velmi snadné dosáhnout naprosté izolace mezi jednotlivými vlákny i v případě, pokud je v optickém kabelu veden velký počet vláken. e) Signálová bezpečnost. Světlo z optického vlákna není vyzařováno do jeho okolí, čímž vlákno poskytuje velkou bezpečnost pro přenášený signál, který je obtížné odposlouchávat. Na rozdíl od metalických vodičů protékaných proudy, kdy kolem takových vodičů vždy existuje elektromagnetické pole, které může být neinvazivně zachyceno. U optického vlákna musí vždy dojít k vyvázání optického výkonu, který pak chybí při přenosu a v místě příjmu lze tento pokles výkonu vždy detekovat. Tento rys je významný ve vojenství, bankovnictví a všude tam, kde jsou zvýšené požadavky na zajištění bezpečného přenosu dat. f) Malý útlum signálu. Výzkum a vývoj optických vláken od roku 1980 vedl k vláknům, která jsou charakterizována velmi malým útlum ve srovnání s nejlepšími měděnými vodiči. Nejnižší velikosti měrných útlumů leží kolem 0,15 db.km -1 a tato hodnota představuje jednu z klíčových výhod vláknově optických komunikačních systémů. Ve svém důsledku to znamená, že opakovače a regenerátory přenášených signálů mohou být ve velkých vzdálenostech od sebe, což vede ke zmenšení složitosti komunikačních systémů a snížení nákladů na jejich výstavbu. Spolu s dosaženou velkou šířkou pásma přenášených signálů to značí, že naprostá většina dálkových přenosů v telekomunikacích probíhá po optických vláknech a jsou nahrazovány nejen kabelové metalické systémy, ale optická vlákna nahrazují také satelitní komunikace zejména v hlasových službách. Je to dáno zejména malým zpožděním signálu, které je vyžadováno pro hlasové přenosy. g) Odolnost proti hrubému zacházení a přizpůsobivost prostředí (flexibilita). Pro optická vlákna jsou velmi významné ochranné vrstvy, které zajišťují vysokou odolnost optických vláken proti tahovému namáhání. Jejich odolnost je natolik vysoká, že optická vlákna s primární, popř. sekundární ochranou mohou být ohýbána s poloměry ohybu 13

16 řádově milimetry, aniž dojde k jejich mechanickému poškození. Dnešní kabelové struktury optických kabelů dovolují extrémní namáhání kabelů při zajištění dostatečné flexibility. Pokud vezmeme v potaz ještě rozměry optických kabelů (mm až 1-2 cm), jejich hmotnost, pak vyniknou tyto vlastnosti při dopravě, skladování, montáži a instalaci v sítích při srovnání s metalickými kabely. h) Spolehlivost vláknově optických systémů a jejich snadná údržba. Tento rys vyplývá primárně z malého útlumu optických kabelů, které vedou ke snížení počtu zesilovačů v komunikačních trasách, opakovačů, regenerátorů, apod. Čím je takových zařízení v komunikační trase méně, tím narůstá spolehlivost systému a životnost systémů dosahuje let a postupně dále narůstá. Menší složitost komunikačního systému a prodlužující se životnost pak dále snižuje dobu potřebnou pro údržbu komunikačního systému a náklady na ni. i) Potenciálně nízké náklady. Sklo, které poskytuje obecně prostředí pro přenos signálu, je vyráběno z křemičitého písku, což není vzácný materiál. S rozvojem optických komunikací výrazně poklesla cena optických vláken a dnes je plně srovnatelná s cenou UTP a STP kabelů. Takového poklesu cen nebylo ještě dosaženo pro další prvky vláknově optických komunikací (stabilní laserové zdroje, detektory, děliče, spektrální prvky, apod.). Celkové náklady na optické komunikační systémy jsou však výrazně nižší, což platí zejména u dálkových komunikací, vzhledem k extrémní šířce pásma. Pokud zde spočítáme náklady na jeden bit přenesené informace, pak v páteřních komunikacích na velké vzdálenosti nemají optická vlákna optické komunikační systémy konkurenci a s růstem požadavků na přenosové rychlosti v přístupových sítích se jejich cena projevuje stále výhodněji i v těchto aplikacích. 4 Základy optických vláken Optická vlákna jsou klíčem k pochopení vlastností optických komunikačních systémů. Skutečný rozvoj optických komunikací začal v okamžiku, kdy se na trhu objevila optická vlákna s dostatečně malým útlumem. Tyto základní poznámky se týkají chování mnohovidových optických vláken, která se historicky objevila jako první typ a jejich základní principy činnosti mají hodně společného s dalšími typy optických vláken. Představme si sami sebe jako techniky před cca 40 lety, kteří dostali zadání nalezněte způsob, jak využít světlo pro komunikace s využitím optických vláken, protože ta skýtají možnosti: značná ohebnost, potenciálně malý útlum, jsou odolná proti tahovému namáhání a jsou již známa. Jejich problémem je v tuto chvíli velký útlum, takže skutečné přenosy jsou dosažitelné pouze do vzdáleností něko- 14

17 lika metrů. Jako technikům a výzkumníkům nám nezbývá než dobře pochopit všechny nutné podmínky pro přenos světla, abychom je mohli značně vylepšit a dosáhnout přenosů na velké vzdálenosti. 4.1 Základní struktura optického vlákna vlákno se skokovou změnou indexu lomu Úplný vnitřní odraz, index lomu jádra a pláště. Optické vlákno je tenké, průhledné, ohebné a skládá se z jádra obklopeného pláštěm. Na obrázku 5 je znázorněna taková struktura spolu s typickými standardizovanými rozměry optických vláken používaných v praxi. Jak jádro, tak plášť optického vlákna jsou vyrobeny ze stejného základního materiálu, kterým je křemenné sklo. Jádro a plášť se liší přídavkem jiného materiálu (dopantu, často GEO 2 ), který mění index lomu skla. Index lomu je číslo nebo lépe řečeno parametr, který popisuje optické vlastnosti daného skla. Jeho číselné vyjádření určuje rychlost, s jakou postupuje fáze optické vlny materiálem. V nejjednodušším tvaru lze pro index lomu psát v = c n, (2) kde c je rychlost světla ve vakuu a v je rychlost světla v prostředí. Obr. 5 Základní struktura optického vlákna, zleva: profil indexu lomu, čelní pohled na optické vlákno v řezu, podélný řez optickým vláknem Jádro optického vlákna má index lomu n 1, plášť optického vlákna má odlišný (menší) index lomu pláště n 2. V obrázku 5 je patrné, že index lomu se mění skokem na rozhraní jádra a pláště vlákna proto se toto vlákno nazývá vlákno se skokovým průběhem indexu lomu nebo také 15

18 SI vlákno ( z anglického step-index). Mezi indexy lomu jádra a pláště vzniká optické rozhraní, kdy prostředí většího indexu lomu je obklopeno prostředím menšího indexu lomu. Z klasické paprskové optiky je známo, že toto je podmínka nutná pro dosažení úplného vnitřního odrazu na optickém rozhraní. Skutečná optická vlákna jsou ve struktuře složitější, protože jsou doplněna ještě o primární, popř. těsnou sekundární ochranu. Jejich standardizované rozměry jsou pro primární ochranu 250 m nebo 500 m, pro těsnou sekundární ochranu pak 900 m. Pak se optické vlákno skládá ze tří nebo čtyř materiálů. Bez těchto ochran by nebylo možné s optickým vláknem pracovat, bylo by velmi křehké. Pokud tedy shrneme základní strukturu optického vlákna, nalezneme jádro, plášť a plastový ochranný plášť. Budeme si pamatovat, že základní podmínka pro vedení světla je úplný odraz na rozhraní jádra a pláště optického vlákna, kdy index lomu jádra musí být vždy větší než index lomu pláště. Tato relace musí být splněna vždy, pokud má být světlo vedeno, s touto podmínkou se setkáme nejen v optických vláknech, ale např. v polovodičových laserech při vyvádění světla z pn přechodu Úplný vnitřní odraz, mezní úhel na rozhraní jádra a pláště a mezní úhel šíření V tomto místě je důležité zdůraznit existenci dvou pojmů, které jsou významné pro šíření světla v optickém vlákně, a které jsou často zaměňovány těmi, kteří začínají se studiem optických komunikací. Těmi pojmy jsou: mezní úhel na rozhraní jádra a pláště a mezní úhel šíření. Mezní úhel šíření je úhel, který svírá optický paprsek při průchodu optickým vláknem s osou tohoto vlákna. Zatímco mezní dopadový úhel na rozhraní jádra a pláště optického vlákna je vždy vztažen ke kolmici dopadu na rozhraní jádra a pláště. Oba úhly jsou zvýrazněny na obr.6. Obr. 6 Mezní úhel šíření a mezní úhel na rozhraní jádra a pláště 16

19 Je zřejmé, že vedený mezní paprsek, osa optického vlákna a kolmice v místě dopadu C-B tvoří pravoúhlý trojúhelník. To značí, že oba mezní úhly nejsou nezávislé, že ze znalosti jednoho vyplývá znalost druhého úhlu, protože mezi nimi platí jednoduchá relace α C = 90 o - Θ 1C (3) Proč je mezní úhel šíření tak důležitý? Představme si, kde je umístěn zdroj, kterým je buzeno optické vlákno a do jakého směru budou vystupovat jeho paprsky. Můžeme zdroj nejlépe umístit do osy optického vlákna bodu A. Pak všechny paprsky, které vlákno ze zdroje zachytí, a které leží v kuželu určeném dvojnásobkem mezního úhlu šíření, budou vláknem zachyceny. Na rozhraní jádra a pláště bod B pak dopadnou pod mezním úhlem C a větším. Z chování světla na rozhraní dvou dielektrik je známo, že k úplnému odrazu bude docházet tehdy, pokud dopadový úhel je roven meznímu nebo je větší. Pomocí indexů lomu jádra a pláště je možné určit mezní úhel jako sin Θ 1C = n 2 n 1 (4) Pokud nesplníme tuto podmínku, pak světlo dopadne na rozhraní jádra a pláště pod úhlem menším, než je velikost mezního úhlu. To odpovídá dopadu např. do bodu D podle obr.6.pak místo úplného odrazu dochází pouze k částečnému odrazu, což značí, že světlo projde do pláště optického vlákna. Odtud je již nemožné je plně nasměrovat zpět do jádra. Jinými slovy, tato část světla je pro přenos definitivně ztracena. Vždy je potřeba mít na paměti, že světlo se od rozhraní odráží při své cestě optickým vláknem mnohokrát. I když při každém odrazu ztrácí jen malou část nesené energie, při obrovském počtu odrazů to vede nakonec k úplným ztrátám vedené energie. K úplné ztrátě energie tímto způsobem pak stačí vzdálenost několika metrů. Budeme si proto pamatovat, že nezbytnou podmínkou pro vedení světla je úplný vnitřní odraz světla na rozhraní jádra a pláště. V technologii optických vláken a optických komunikací obvykle nepracujeme s kritickým úhlem na rozhraní jádra a pláště. Většinou nás zajímá velikost úhlu C, protože tento úhel určuje, jak musí být světlo vedeno v optickém vlákně. Zároveň tento úhel představuje doplněk do 90 O pro úhel C. Jinými slovy rovněž v tomto mezním úhlu šíření je ukryta podmínka pro dosažení úplného odrazu na rozhraní jádra a pláště jako základní podmínky pro vedení světla. Protože optické vlákno je popsáno svými indexy lomu jádra a pláště, vyjádříme velikost mezního úhlu šíření pomocí těchto indexů lomu. Pro mezní úhel na rozhraní jádra a pláště platí (4). Oba mezní úhly jsou vázány (3), která platí pro pravoúhlý trojúhelník, ve kterém lze psát 17

20 sin Θ 1C = cos α C = n 2 n 1 (5) Protože současně platí sin α C = 1-cos 2 α C = 1- ( n 2 n 1 ) 2 (6) Je možné určit velikost mezního úhlu šíření jako α C = sin ( n 2 n 1 ) 2. (7) Závěrem tohoto odstavce můžeme zvýraznit tuto skutečnost: Aby bylo světlo zachyceno optickým vláknem, musíme zajistit, aby dopadlo na rozhraní jádra a pláště pod úhlem C a větším. To je totéž, jako bychom řekli, že světlo musí postupovat optickým vláknem pod úhlem C a menším vzhledem k ose optického vlákna. 4.2 Zavedení světla do optického vlákna numerická apertura Příjmový úhel Pokud známe podmínku vedení světla optickým vláknem, okamžitě vyvstane otázka: Jakým způsobem musí světlo dopadat na vstupní čelo vlákna, aby jej vlákno mohlo zachytit a vést pod úplným odrazem na rozhraní jádra a pláště. V optických komunikacích jsou základními používanými zdroji světla LED a LD. Oba tyto zdroje mají své směrové charakteristiky, které říkají, kolik světla vystupuje z těchto zdrojů do jednotlivých směrů. Určitě si dovedeme představit, že optické vlákno, které je charakterizováno indexy lomů jádra a pláště, bude mít těmito indexy lomu popsány mezní úhly a zejména mezní úhel šíření bude mít vliv na směrování světla do optického vlákna. Obr. 7 ukazuje tuto situaci podrobněji. Mezi optickým vláknem a zdrojem světla může být libovolné prostředí, které je popsáno indexem lomu n a. Pokud je tímto prostředím vzduch, je situace jednodušší, protože pro vzduch je n a = 1. Předchozí obrázky byly kresleny pro mezní paprsky, znovu si je nakresleme a podívejme se, jak se mezní paprsek projeví před vláknem. Vstupní čelo představuje rozhraní mezi jádrem optického vlákna a okolním prostředím. Protože jsou indexy lomu jádra vlákna a okolního prostředí rozdílné, bude docházet na čele vlákna k lomu světla. Obvyklý chod paprsku je z prostředí opticky řidšího (menší index lomu) do prostředí opticky hustšího (větší index lomu). To značí, že ve směru od zdroje se bude jednat o lom ke kolmici, kterou tvoří v tomto případě osa optického vlákna. Tedy ze zdroje bude přicházet světlo v kuželu s větším vrcholovým úhlem, který se 18

21 bude měnit po lomu na čele vlákna do kužele s menším vrcholovým úhlem, viz obr. 7. Lom světla na čele optického vlákna můžeme popsat vztahem n a sin Θ a = n 1 sin α C (8) Pro optické vlákno ve vzduchu, kdy n a = 1,0003, lze (8) zjednodušit na sin Θ a = n 1 sin α C (9) Obr.7 Zavedení světla do optického vlákna Z obrázku 7 a výše uvedeného je možné dojít k následujícímu závěru: Aby optické vlákno zachytilo světlo a vedlo jej, musí se paprsky šířit vláknem pod úhlem C a menším vzhledem k ose vlákna a tato podmínka je bude splněna tehdy, pokud světlo bude vstupovat do vlákna pod úhlem a a menším. Pokud tento úhel bude větší (v obrázku 7 je to úhel ), pak světlo ve vlákně půjde vně mezního příjmového úhlu, dopadne do bodu D, kde se pouze částečně odrazí. Výsledkem budou ztráty vedené energie. Protože vlákno má kruhovou symetrii, je úhel a ve skutečnosti prostorovým úhlem. Pak všechny paprsky, které mají být vláknem zachyceny, budou tvořit kužel s vrcholovým úhlem 2 a. Tento úhel se označuje jako příjmový úhel optického vlákna. V optických komunikacích se obvykle nepracuje s jednotlivými úhly. Důvodem je, že tyto úhly nejsou přímo vidět, pokud spojíme zdroj a vlákno dohromady, nelze bezprostředně stanovovat mezní podmínky, protože mezi vláknem a zdrojem nemusí být vzduchové prostředí. Proto se používá integrovaný parametr, který zahrnuje tyto faktory a nazývá se numerická apertura (NA). 19

22 Numerická apertura Numerická apertura NA je definována relací NA= n a sin Θ a (10) Pokud je prostředím mezi zdrojem a vláknem vzduch (n a = 1), pak se (10) zjednoduší na NA= sin Θ a (11) V předchozím textu bylo vidět, že optické vlákno je popsáno indexy lomu jádra a pláště. Otázkou je, zdali tyto indexy lomu nepopisují i chování vlákna vzhledem k jeho příjmovému úhlu. Pro jednoduchost budeme uvažovat vlákno ve vzduchu. Tedy platí (11), (9) a (6). Pro NA pak lze psát NA= n 1 sin α C = n 1 1- ( n 2 n 1 ) 2 = n 1 2 -n 2 2 (12) Z dosud uvedeného plyne souvislost mezi jednotlivými veličinami ve tvaru Θ 1C -- α C -- Θ a --NA (13) Pokud bychom se podívali do katalogu, tak NA je jeden z parametrů optického vlákna, který zde najdeme. V telekomunikacích jsou optická vlákna standardizovaná, NA nabývá pouze několika hodnot. Vzhledem k rozměrům optických vláken jsou platné tyto standardy: Mnohovidová (mnohomódová) vlákna 50/125 NA = 0,2 62,5/125 NA = 0,275 Jednovidová (jednomódová) vlákna 9/125 NA = 0,1 Pokud se pozorně podíváme na relace (10) a (11), můžeme porovnat chování optických vláken ve vzduchu a v prostředí. Protože NA je určena indexy lomu jádra a pláště, vnější prostředí pouze může ovlivnit velikost příjmového úhlu. Pokud je optické vlákno ve vzduchu, NA ovlivňuje pouze samotnou velikost příjmového úhlu, pokud je vlákno v prostředí (např. voda s indexem lomu 1,33), pak se hodnota NA rozdělí mezi dvě veličiny index lomu okolního prostředí a příjmový úhel. Index lomu okolního prostředí je vždy větší než 1, díky tomu se ve stejném poměru musí zmenšit velikost sinu příjmového úhlu. V technologii vláknově optických komunikací se nepoužívají obvykle indexy lomu jádra a pláště, ale pracuje se s jejich rozdílem n. Ten je definován jednoduše jako Δn= n 1 - n 2 (14) Všimněme si, že tato hodnota je vždy kladná. Výrobci optických vláken často používají další veličinu poměrný rozdíl indexů lomu definovaný jako Δ= n 1- n 2 n 1 + n 2 2 (15) 20

23 Relace (15) platí obecně. Pro telekomunikační vlákna jsou indexy lomu jádra a pláště velice blízké (1,48 jádro, 1,46 plášť). Pak se (15) zjednoduší na Δ= n 1- n 2 n, (16) kde n je podle okolností buď index lomu jádra, nebo pláště. Pomocí poměrného rozdílu indexů lomu může být NA vyjádřena jako NA= n n 2 2 = (n 1 - n 2 )- (n 1 + n 2 )= Δn.2n= Δn n.(2n2 ) (17) Ve výsledku pak bude NA=n 2Δ (18) Jaký je význam relace (18)? Ukazuje na podstatnou vlastnost indexů lomu. Ty nejsou významné samy o sobě, ale jen v jejich průměrech a poměrných rozdílech. Má-li výrobce změnit NA optického vlákna, pak mění buď aritmetický průměr indexů lomu nebo poměrný rozdíl indexů lomu nebo obojí. 5 Útlum optických vláken Představme si situaci, kdy máme k dispozici optické vlákno a jsme schopni měřit výkon světla, které vstupuje do vlákna, a které z něj vystupuje. Naměříme stejné hodnoty? Shodneme se, že určitě ne, protože intuitivně předpokládáme, že výkon na výstupu optického vlákna bude menší než na vstupu. Ale protože jsme technici, nespokojíme se s intuitivním očekáváním, ale budeme chtít tomuto jevu porozumět. Menší hodnota optického výkonu na výstupu bude proto, že jsme se setkali s jevem zvaným útlum. V technologii optických vláken znamená útlum zmenšení optického výkonu ve vlákně, ke kterému dochází při průchodu světla optickým vláknem. Podle této definice jsou ztráty světla způsobeny porušením podmínky úplného odrazu na rozhraní jádra a pláště. Ale z praktického úhlu pohledu téměř nikdy není porušení podmínky úplného odrazu chápáno jako příčina útlumu, protože bez splnění podmínky úplného odrazu by optické vlákno nepracovalo jako prostředí, které vede světlo. 5.1 Ohybové ztráty Makroohybové ztráty 21

24 Jak bylo zmíněno na počátku tohoto textu, je jednou z podstatných výhod vláknově optických komunikací jejich přizpůsobivost prostředí. Zkusme si jen představit, že máme k dispozici skleněnou tyč, která sice dokonale vede světlo, ale je pevná, neohebná. Mohli bychom ji použít pro komunikace. Pouze velmi obtížně, protože při instalaci musíme procházet členitým prostředím, které vyžaduje ohebnost. Jednou z příčin rozšíření optických komunikací byl objev ohebného optického vlákna. Jak mnoho lze vlákno ohýbat, aniž dojde k významnému narušení vedení světla ve vlákně, bude obsahem dalšího textu. Obr. 8 Vznik ohybových ztrát Obrázek 8 ukazuje dvě základní situace, které odpovídají šíření paprsku ve vlákně. Představme si, že vláknem postupuje mezní paprsek, který dopadá na rozhraní jádra a pláště právě pod mezním úhlem. To odpovídá dopadům v bodech A, B. Poté se začíná vlákno výrazně zakřivovat a stejný paprsek, který se ještě stačí v bodech A, B úplně odrazit, se v následných bodech již odráží pouze částečně, protože na rozhraní v bodech C, D, E již dopadá pod úhly menšími než je mezní úhel. Díky tomu vznikají ztráty vedeného světelného výkonu v každém z těchto bodů C, D, E. Tato část světla je nenávratně ztracena a neobjeví se na konci optického vlákna. Tato ztráta se nazývá útlum, který má svoji příčinu v ohybu. Ohyby vlákna tvoří jeden z významných zdrojů útlumu. 22

25 V tomto místě můžeme položit otázku, zdali je tento jev fatální nebo zdali se můžeme ohybovým ztrátám nějak vyhnout. Odpověď je taková, že dosažení necitlivosti vláken na ohyby je nemožné, pouze lze dosáhnout přijatelných ztrát. V katalozích optických vláken proto najdeme údaje, které se týkají doporučených hodnot ohybů. Jsou uváděny např. útlumy pro 1 nebo 100 závitů vlákna navinutého na válec o průměru 32 mm nebo 50 mm s uvedením vlnové délky procházejícího světla. U jiných výrobců nalezneme přímo velikost doporučeného minimálního poloměru zakřivení optického vlákna. Ohyby nemění pouze optické vlastnosti vláken jako je útlum, ale mění také jejich mechanické vlastnosti. Proto uživatelé přijímají opatření na vyloučení nebezpečně malých poloměrů ohybů. Pro rychlo orientaci jsou v praxi používána následující pravidla. Při dlouhodobém ohýbání optických vláken je za mezní poloměr zakřivení vlákna považován 150-ti násobek průměru pláště vlákna. Dlouhodobým namáháním je myšleno trvalé zakřivení optického vlákna, ke kterému dojde po instalaci optické trasy a jejímu uvedení do provozu. Pro krátkodobé namáhání, ke kterému dochází např. při samotné instalaci, je tato hodnota 100 násobek průměru pláště optického vlákna. Pro běžná telekomunikační vlákna o průměru pláště 125 m, budou tyto hodnoty 19 mm pro dlouhodobé namáhání a 13 mm pro krátkodobé namáhání. Otázkou je, zdali jsou ohyby nezbytným zlem, které musí být trpěno, nebo zdali existují i užitečné ohyby. V řadě vláknově optických sítí potřebujeme řídit velikost optických výkonů v určitých místech. Pokud máme v nějakém bodě trasy velký výkon, který musíme snížit, pak používáme útlumové články neboli atenuátory. Jedním z typů atenuátorů jsou ohybové útlumové články. Ty mohou být nahrazeny několika závity optického vlákna na válečku vhodného průměru. Další užitečnou aplikací ohybů jsou vidové (módové) filtry, se kterými se setkáme při vláknově optických měřeních. Podívejme se ještě jednou na obr. 8. V bodech A, B dopadá mezní paprsek, který je při následném dopadu do bodu C intenzivně tlumen. Ale paprsky, které jdou pod menším úhlem vzhledem k optické ose, budou nerušeně procházet a začnou ztrácet svoji energii až při výrazně menších poloměrech zakřivení. Jinými slovy, pomocí ohybů se můžeme zbavit paprsků, které jsou blízké mezním paprskům. Další užitečnou aplikací ohybů je možnost identifikace optických vláken. Pokud světlo vystupuje ven v ohybu, pak toto světlo můžeme také pozorovat. To je základem jedné z metod pro identifikaci optického vlákna, kdy ne jedné straně zavedeme světlo červeného laseru do vlákna a pokud vlákno ohneme, můžeme podle světla vystupujícího v ohybu identifikovat příslušné vlákno. Výhodou je, že nepotřebujeme pro identifikaci druhý konec optického vlákna, stačí pouze dané vlákno ohnout. Existují další užitečné aplikace ohybů vláken využívaných při svařování vláken, monitorování sítí, apod. 23

26 5.1.2 Mikroohybové ztráty V předchozím odstavci jsme se zabývali makroohybovými ztrátami, tedy ztrátami, které vznikají ohybem optických vláken. Rovněž mikroohybové ztráty jsou charakteristické tím, že dochází k porušení podmínky úplného odrazu na rozhraní jádra a pláště. Na obr. 9 jsou ukázány některé mechanismy mikroohybových ztrát. Obr. 9 Mikroohybové ztráty Hlavním zdrojem mikroohybových ztrát jsou nedokonalosti struktury optického vlákna. K nim patří zejména mikroohmy, změny průměrů jádra vlákna, zvlnění osy vlákna, Pokud se světlo šíří optickým vláknem v přímém směru, naráží světlo na nedokonalosti na rozhraní. Ty mění směry šíření paprsků, a pokud bude překročen buď mezní úhel šíření vzhledem k ose vlákna nebo mezní úhel odrazu na rozhraní jádra a pláště, dojde ke ztrátám vedené energie, která se vyzáří do pláště. V obrázku 9 jsou tyto ztráty znázorněny šedými paprsky v plášti vlákna. Uživatelé optických vláken nemají žádnou možnost ovlivnit velikost těchto ztrát. Musejí spoléhat na výrobce a na kvalitu jejich produktů. Naštěstí v současné době je kvalita výrobních procesů optických vláken natolik zvládnutá, že nepředstavuje žádný podstatný problém. V katalogových listech výrobců optických vláken dnes již nebývají mikroohybové ztráty samostatně uváděny a jsou zahrnuty do celkové úrovně ztrát optických vláken. Na rozdíl od mikroohybových ztrát, které mají svůj původ ve výrobním procesu při výrobě optických vláken, naneštěstí existuje jiný problém, který vede ke vzniku mikroohybových ztrát. Ty jsou způsobeny elastooptickým jevem, kdy vlivem mechanických mikrodeformací dochází ke změně indexu lomu. Tyto změny mají velmi lokální charakter a chovají se jako mikroporuchy. Protože změna indexu lomu v materiálu vede obecně ke změně směru světelného paprsku, vede tento mechanismus rovněž k růstu ztrát. Tyto mikrodeformace se vyskytu- 24

27 jí zejména při kabelování a vedou k hledání technologií kabelování, kdy optické vlákno je velmi málo namáháno (Loose Tube konstrukce). Dalšími zdroji mohou být mechanické deformace, které vznikají při montáži optických tras. Významným zdrojem mikroohybových ztrát jsou rovněž ochranné pláště a homogenita jejich nanášení. V současné době pokroky v technologii nanášení homogenních ochranných plášťů vedou k zanedbatelnému vlivu tohoto mechanismu. 5.2 Rozptyl Doposud jsme se zabývali problémy, které byly spojeny s odklonem parsků světla vlivem zakřiveného rozhraní, kdy docházelo k porušení podmínky úplného odrazu na rozhraní jádra a pláště. Mlčky jsme předpokládali, že materiál jádra optického vlákna je dokonale homogenní. To je samozřejmě pouze fikce, ve skutečnosti se nehomogenity vyskytují i uvnitř jádra vlákna. Protože nehomonity jsou představovány změnami indexu lomu, dochází na nich ke změnám ve směru šíření paprsků, dochází k jejich rozptylu. Obr.10 ukazuje chování světla na vnitřní nehomogenně (překážce). Obr.10 Rozptylové ztráty Všimněme si nejprve paprsků, které procházejí vláknem pod mezním úhlem šíření C. Tyto paprsky přejdou kolem vnitřní nehomogenity, jsou úplně odraženy na rozhraní jádra a pláště vlákna (bod B) a postupují dále beze ztrát. Paprsky, které leží uvnitř mezního kuželu šíření (čárkované šedé) by měly rovněž nerušeně postupovat jádrem optického vlákna a být plně odráženy na rozhraní jádra a pláště. Protože se však setkávají s nehomogenitou uvnitř jádra, která mění jejich směr šíření v jádře. Paprsky pak dopadnou do bodu C, kde se odrážejí pouze částečně a dochází k úniku světla do pláště vlákna. Výsledkem je růst ztrát vedené energie. 25

28 Můžeme se pozastavovat nad tím, jaké jsou překážky, se kterými se světlo setkává při průchodu jádrem vlákna. Největší rozměr jádra, který potkáváme v datových přenosech a v telekomunikacích je 62,5 m. Tedy i rozměr rozptylující překážky musí být menší než tato hodnota. Ve skutečnosti se jedná o překážky ve velikostech několika m. Jsou to malé bubliny, vměstky, nedokonale promísené skloviny, apod. V současné době zdokonalené technologie výroby optických vláken vylučují přítomnost překážek tohoto druhu. Otázka pak zní, existují i jiné mechanismy rozptylu světla než byly výše uvedené? Nebo již se v optickém vlákně nesetkáme s žádnými jinými rozptyly? Odpověď zní, bohužel existují i jiné rozptylové mechanismy. Podívejme se pečlivě na zákon lomu, který říká, že součin indexu lomu prostředí a sinu úhlu měřeného ke kolmici v místě dopadu je konstantní, např. viz (8). K rozptylu (změně směru paprsku) nemusí docházet jen vlivem změny úhlu, ale také vlivem změny indexu lomu. V každém materiálu jsou přítomny drobné změny indexu lomu, ať jsou to změny vyvolané kmity krystalové mřížky vlivem teploty, nedokonalosti v depozicích částic tvořící sklo při výrobě optických vláken, aj. Takové překážky mají malý rozměr, mnohem menší než je vlnová délka procházejícího světla. Rozptyl tohoto druhu se nazývá Rayleigho rozptyl a představuje přirozenou hranici útlumu, pod kterou nemůže útlum poklesnout. Více se o tomto jevu dozvíme při podrobnějším studiu útlumových jevů v optických vláknech. 5.3 Absorpce Základní absorpční mechanismus Pokud si vzpomeneme na základní úvahy, které popisují interakci záření a látky, tak jsme se setkali s pojmem energie fotonu a pásová struktura pevných látek. Pevné látky, zejména izolanty a polovodiče, jsou popsány pásy dovolených energetických stavů valenčních elektronů a tyto pásy jsou odděleny pásem zakázaných energií. Elektrické a optické vlastnosti těchto materiálů jsou určeny tvary pásů a zejména šířkou pásu zakázaných energií E. Elektrony se mohou vyskytovat pouze v pásech dovolených energií (valenčním a vodivostním). Protože jsou však oba pásy odděleny zakázaným pásem energií, musí elektron ve valenčním pásu obdržet energii, aby byl schopen přechodu do vyššího energetického pásu. Minimální množství energie, které elektron musí získat, je rovno šířce zakázaného pásu energií. Na procházející paprsky v optickém vlákně se můžeme dívat jako na soubor fotonů, které se šíří ve směru popsaném paprskem světla a každý foton má energii. Ta závisí na vlnové délce světla a je popsána jednoducho relací 26