Zjawisko tłumienia

Tłumienie nie powoduje zmiany kształtu sygnału, zmniejsza jedynie jego moc.
Wprawdzie tłumienie światłowodów kwarcowych zależy od długości fali (stąd wyróżnienie trzech okien transmisyjnych), lecz w zakresie szerokości spektralnej promieniowania typowych źródeł wynoszącym kilka lub kilkanaście nanometrów dla laserów i diod, odpowiednio, różnice spektralne tłumienności mogą być pominięte.
Tłumienie rośnie ze wzrostem długości łącza, ogranicza więc zasięg transmisji. Obecnie tłumienie łącza może być w prosty sposób kompensowane z wykorzystaniem wzmacniaczy optycznych:półprzewodnikowych lub światłowodowych EDFA.

Tłumienie w światłowodzie

Występujące w światłowodzie tłumienie powoduje zanik mocy sygnału optycznego w sposób pokazany na rysunku

Tłumienie lub straty przyjęto opisywać w skali decybelowej:

A=10log(P/P_0 )

A-tłumienie [dB] , P_0-moc sygnału na wejściu , P - moc sygnału na wyjściu

Tak zdefiniowane straty są ujemne, gdy moc zanika (P < P0), natomiast są dodatnie gdy w łączu światłowodowym zachodzi wzmocnienie sygnału np. w wyniku zastosowania wzmacniaczy optycznych. Sprawdźmy jak wygląda to w praktyce. Poniższa tabela przedstawia różne przypadki zestawienia mocy sygnału wejściowego z mocą sygnału wyjściowego łącza światłowodowego

W tablicy podano wartości mocy optycznej na wyjściu łącza światłowodowego dla różnych wartości tłumienia w łączu, w zakresie wartości praktycznie spotykanych, z komentarzem na temat występowania poszczególnych wartości tłumienia w łączności światłowodowej. Należy zwrócić uwagę, że w łączach praktycznych wykrywa się ekstremalnie niskie wartości poziomu względnego sygnału, rzędu jednej setnej lub jednej dziesięciotysięcznej wartości mocy początkowej (ostatnie dwa wiersze tabeli).

Tego rzędu straty mogą być kompensowane przez wzmacniacz światłowodowy domieszkowanyerbem EDFA , którego wzmocnienie zawiera się w zakresie 30-40 dB. Oczywiście, wartość bezwzględna mocy na wyjściu łącza o danej tłumienności jest proporcjonalna do wartości mocy wejściowej P0 w łączu.

Tłumienność jednostkowa

Tłumienie łącza światłowodowego wyrażone w decybelach jest sumą tłumień poszczególnych odcinków łącza. Dla światłowodu jednorodnego w kierunku propagacji tłumienie jest proporcjonalne do jego długości.
Przyjęto charakteryzować tłumienność danego typu światłowodu poprzez podanie strat na długości jednego kilometra włókna, czyli w dB/km (decybelach na kilometr), jest to tzw. tłumienność jednostkowa α.
Straty na długości L jednorodnego światłowodu wyrażają się więc jako:

A= αL

A - tłumienie α - tłumienność jednostkowa L -długość światłowodu

Tłumienie mocy sygnału optycznego w światłowodzie ma dwojaką przyczynę: strat materiałowych oraz falowodowych.

Straty materiałowe

Straty materiałowe są nie do uniknięcia. Wynikają one stąd, że materiał (szkło kwarcowe) nie jest idealnie przezroczysty.
Nie jest to skutek niedoskonałości technologii lub obecności zanieczyszczeń w szkle. Obecnie możliwe jest wytwarzanie prawie idealnie czystych szkieł kwarcowych, ale nawet idealnie czyste szkło nie jest idealnie przezroczyste i wykazuje określoną tłumienność.

Tłumienność w światłowodach ze szkła kwarcowego zależy od długości fali świetlnej. Z tą zależnością związane są trzy zakresy długości fal świetlnych, które wykorzystuje się do przesyłania sygnałów w łączności światłowodowej:
* są to fale o długości 0,85 µm, 1,3 µim i 1,55 µm , zwane też kolejnymi oknami optycznymi lub transmisyjnymi:

I okno transmisyjne na fali 0,85 µm jest związane z dostępnością źródeł promieniowania - diod elektroluminescencyjnych z arsenku galu promieniujących na tej fali. Tłumienność szkła kwarcowego na tej fali jest wyższa niż 1 dB/km. Fala ta jest stosowana do transmisji na odległości do kilkunastu kilometrów, zazwyczaj w lokalnych sieciach komputerowych.

II okno transmisyjne na fali 1,3 µm jest związane z lokalnym minimum wartości tłumienia przy tej fali. Tłumienność szkła kwarcowego na tej fali wynosi około 0,4 dB/km. Fala ta umożliwia transmisję bez konieczności regeneracji na odległość 75 do 100 km.

III okno transmisyjne na fali 1,55 µm jest związane z absolutnym minimum wartości tłumienia przy tej fali. Tłumienność szkła kwarcowego na tej fali wynosi mniej niż 0,2 dB/km. Fala ta umożliwia transmisję bez konieczności regeneracji na odległość 150 do 200 km.

Rys.2. Tłumienie mocy impulsu optycznego w światłowodzie w funkcji odległości transmisji dla trzech okien transmisyjnych.

Przyjęto tłumienności światłowodu :
1,2 dB/km dla fali 0,85 µm
0,4 dB/km dla fali 1,3 µm
0,2 dB/km dla fali 1,55 µm

Rysunek pokazuje zmiany mocy sygnału w światłowodzie w funkcji odległości. Zaznaczono trzy okna transmisyjne. Szybkość wykładniczego zaniku mocy w światłowodzie jest określona przez tłumienność ?, która jest różna dla różnych okien transmisyjnych. Z rysunku wynika zdecydowanie większy zasięg transmisji na fali 1,55 µm niż w pozostałych dwu oknach transmisyjnych.

Z podanych uprzednio wzorów wynika, że zanik mocy sygnału optycznego wzdłuż jednorodnego światłowodu ma charakter wykładniczy:

P(z)= P_0 * 100,1αz

gdzie z- odległość propagacji

Z przedstawionych na rys 1 i 2 wykresów wynika również bardzo istotna konsekwencja dotycząca poziomu mocy optycznej na wyjściu łącza bardzo krótkiego oraz bardzo długiego. Względny poziom mocy sygnału na wyjściu światłowodu przy tej samej mocy źródła światła zmienia się w bardzo szerokim zakresie:
* na bardzo krótkich odległościach transmisji poziom mocy na wyjściu wynosi prawie 100% światła wprowadzonego ze źródła do światłowodu
* na bardzo długich odległościach transmisji poziom ten wynosi zaledwie 0,01% światła wprowadzonego ze źródła do światłowodu (jest tak dla łącza na fali 1,3 µm o długości 100 km lub dla łącza na fali 1,55 µm o długości 200 km).
Z drugiej strony, w komercyjnych systemach pożądana jest unifikacja zarówno dla stosowanych źródeł (i ich natężenia światła), jak i detektorów promieniowania (a więc ich czułości).

dalej