ऑप्टिकल फाइबर के लक्षण

बादऑप्टिकल सिग्नल यात्रा करते हैंऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से एक निश्चित दूरी पर, वे क्षीणन और विरूपण से गुजरते हैं, जिससे इनपुट और आउटपुट ऑप्टिकल सिग्नल दालों में अंतर होता है। यह ऑप्टिकल दालों के आयाम क्षीणन और तरंग रूप के विस्तार के रूप में प्रकट होता है। इस घटना का कारण ऑप्टिकल फाइबर के भीतर हानि और फैलाव की उपस्थिति है। हानि और फैलाव ऑप्टिकल फाइबर की ट्रांसमिशन विशेषताओं का वर्णन करने वाले सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं, जो सिस्टम की ट्रांसमिशन दूरी और क्षमता को सीमित करते हैं। यह खंड मुख्य रूप से ऑप्टिकल फाइबर हानि और फैलाव के तंत्र और विशेषताओं पर चर्चा करता है।

★ऑप्टिकल फाइबर के लक्षण (भाग 2)

ऑप्टिकल फाइबर की हानि विशेषताएँ

ऑप्टिकल फाइबर हानि से सिग्नल क्षीणन होता है, इसलिए ऑप्टिकल फाइबर हानि को क्षीणन भी कहा जाता है। जैसे-जैसे ऑप्टिकल फाइबर में दूरी बढ़ती है, प्रकाश संकेत की तीव्रता इस प्रकार कम हो जाती है: P(z)=P(0) /10 - (4) जहां P(z) ट्रांसमिशन दूरी z पर ऑप्टिकल पावर है; P(0) ऑप्टिकल फाइबर में ऑप्टिकल पावर इनपुट है, यानी, z=0 पर इंजेक्ट की गई ऑप्टिकल पावर; (λ) डीबी/किमी में तरंग दैर्ध्य पर ऑप्टिकल फाइबर क्षीणन गुणांक है; और L संचरण दूरी है।

जब t=L, फाइबर क्षीणन गुणांक के रूप में परिभाषित किया गया है

(λ)=(10/एल) एलजी[पी(0)/पी(एल)]

जब कार्यशील तरंग दैर्ध्य λ dB है, यदि क्षीणन गुणांक dB प्रति किलोमीटर की इकाइयों में मापा जाता है, तो A(λ) (इकाई dB है) को इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:

ए(λ)=10 एलजी[पी(0)/पी(एल)]

ऑप्टिकल फाइबर विनिर्माण में निरंतर सुधार के साथ-साथ ऑप्टिकल फाइबर संचार विकसित हुआ है, विशेष रूप से फाइबर हानि में कमी आई है। फाइबर हानि ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रणाली में रिले दूरी निर्धारित करने वाले मुख्य कारकों में से एक है। कई कारक फाइबर हानि में योगदान करते हैं, मुख्य रूप से अवशोषण हानि, बिखराव हानि, और अतिरिक्त हानि, और इन हानियों के अंतर्निहित तंत्र काफी जटिल हैं। निम्नलिखित चर्चा हानि के विभिन्न कारणों को स्पष्ट करने के लिए एक उदाहरण के रूप में सिलिका ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग करती है।

अवशोषण हानि

अवशोषण हानि में मुख्य रूप से आंतरिक अवशोषण, अशुद्धता अवशोषण (ओएच रेडिकल्स), और संरचनात्मक दोष अवशोषण शामिल हैं। आंतरिक अवशोषण में अवरक्त और पराबैंगनी अवशोषण शामिल है।

इन्फ्रारेड अवशोषण आणविक अनुनाद के कारण होने वाली प्रकाश ऊर्जा का अवशोषण है जब प्रकाश SiO2 से बने क्वार्ट्ज ग्लास से गुजरता है। उदाहरण के लिए, Si-O की अवशोषण शिखर 9.1 μm, 12.5 μm, और 21.3 μm पर हैं, और ऑप्टिकल फाइबर की अवशोषण हानि 9.1 μm पर 10 dB/km जितनी अधिक है। पराबैंगनी अवशोषण वह ऊर्जा है जो अवशोषित होती है जब इलेक्ट्रॉन प्रकाश तरंगों द्वारा उच्च ऊर्जा स्तरों में संक्रमण के लिए उत्साहित होते हैं। यह अवशोषण पराबैंगनी क्षेत्र में होता है और इसलिए इसे आमतौर पर पराबैंगनी अवशोषण कहा जाता है। कांच सामग्री में संक्रमण धातु आयन जैसे लोहा और तांबा, साथ ही OH - आयन होते हैं। अशुद्धता अवशोषण प्रकाश तरंग उत्तेजना के तहत आयन कंपन द्वारा उत्पन्न इलेक्ट्रॉन चरणों द्वारा प्रकाश ऊर्जा के अवशोषण के कारण होने वाली हानि है। उदाहरण के लिए, 1.39 μm पर, क्षीणन 60 dB/किमी है जब OH- आयन सांद्रता 1 × 10⁻⁶ है।

बिखराव का नुकसान

प्रकीर्णन हानि वह हानि है जो प्रकाश ऊर्जा को प्रकीर्णन के रूप में ऑप्टिकल फाइबर से बाहर निकालती है। यह फाइबर के भीतर गैर-समान घनत्व के कारण होता है। ऑप्टिकल फाइबर में प्रकीर्णन हानि के मुख्य प्रकारों में रेले स्कैटरिंग, माई स्कैटरिंग, उत्तेजित ब्रिलोइन स्कैटरिंग, उत्तेजित रमन स्कैटरिंग, अतिरिक्त संरचनात्मक दोष और झुकने वाले स्कैटरिंग और रिसाव स्कैटरिंग शामिल हैं।

ऑप्टिकल फाइबर निर्माण के दौरान, पिघले हुए कांच में अणुओं की थर्मल गति इसकी संरचना के भीतर घनत्व और अपवर्तक सूचकांक में उतार-चढ़ाव का कारण बनती है, जो बदले में प्रकाश के बिखरने का कारण बनती है। प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से बहुत छोटे कणों के कारण होने वाले प्रकीर्णन को रेले प्रकीर्णन कहा जाता है; प्रकाश के समान तरंग दैर्ध्य के कणों के कारण होने वाले प्रकीर्णन को माई प्रकीर्णन कहा जाता है।

रेले का बिखराव फाइबर हानि का प्राथमिक कारण है। रेले का प्रकीर्णन लघु तरंग दैर्ध्य के 1/λ के समानुपाती होने का गुण प्रदर्शित करता है, अर्थात, R=K/λ। आनुपातिकता स्थिरांक K कांच की संरचना और संरचना से संबंधित है। आम तौर पर, कांच का संक्रमण तापमान जितना अधिक होगा और इसकी संरचना जितनी अधिक जटिल होगी, रेले के बिखरने का नुकसान उतना ही अधिक होगा।

रेले का प्रकीर्णन आपतित प्रकाश की तीव्रता से प्रभावित होता है। दूसरी ओर, उत्तेजित ब्रिलोइन प्रकीर्णन और उत्तेजित रमन प्रकीर्णन तब होता है जब प्रकाश ऊर्जा घनत्व एक निश्चित उच्च मूल्य से अधिक हो जाता है और प्रकाश और माध्यम के बीच बातचीत से उत्पन्न होता है।

अतिरिक्त हानि

अतिरिक्त हानियाँ (या अनुप्रयोग हानियाँ) बाहरी स्रोतों से उत्पन्न होने वाली हानियाँ हैं, जैसे कि निर्माण, स्थापना और संचालन के दौरान फाइबर के मुड़ने या पार्श्व दबाव के कारण होने वाली हानियाँ, जिसके परिणामस्वरूप फाइबर का स्थूल {{0} झुकना और सूक्ष्म - झुकना होता है।

फाइबर हानि के कारणों को चित्र में संक्षेपित किया गया है:

ऑप्टिकल फाइबर की फैलाव विशेषताएँ

भौतिकी में, फैलाव उस घटना को संदर्भित करता है जहां विभिन्न रंगों का प्रकाश एक पारदर्शी माध्यम से गुजरने के बाद बिखर जाता है। श्वेत प्रकाश की एक किरण प्रिज्म से गुजरने के बाद सात रंग के बैंड में विभाजित हो जाती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि कांच में अलग-अलग रंगों (अलग-अलग आवृत्तियों या अलग-अलग तरंग दैर्ध्य) के लिए अलग-अलग अपवर्तक सूचकांक होते हैं। तरंगदैर्घ्य जितना लंबा होगा (या आवृत्ति जितनी कम होगी), कांच का अपवर्तनांक उतना ही कम होगा; तरंगदैर्घ्य जितना कम होगा (या आवृत्ति जितनी अधिक होगी), अपवर्तनांक उतना ही अधिक होगा। दूसरे शब्दों में, कांच का अपवर्तनांक प्रकाश तरंग की आवृत्ति (या तरंग दैर्ध्य) का एक कार्य है। जब अलग-अलग रंगों से बना सफेद प्रकाश एक ही कोण θ पर आपतित होता है, तो अपवर्तन के नियम (n=synθ/n²) के अनुसार, अलग-अलग रंगों के प्रकाश में अलग-अलग n² मानों के कारण अपवर्तन के अलग-अलग कोण होंगे, इस प्रकार प्रकाश के विभिन्न रंग अलग हो जाएंगे, जिसके परिणामस्वरूप फैलाव होगा। चूँकि n=c/n (जहाँ c प्रकाश की गति है, c=3 × 10⁻⁶ m/s), यह स्पष्ट है कि प्रकाश के विभिन्न रंग कांच के भीतर अलग-अलग गति से यात्रा करते हैं।

ऑप्टिकल फाइबर प्रसार सिद्धांत में, "फैलाव" शब्द का अर्थ व्यापक किया गया है। ऑप्टिकल फाइबर में, सिग्नल कई अलग-अलग मोड या आवृत्तियों की प्रकाश तरंगों द्वारा ले जाए और प्रसारित किए जाते हैं। जब सिग्नल टर्मिनल तक पहुंचता है, तो प्रकाश तरंगों के विभिन्न मोड या आवृत्तियों में ट्रांसमिशन विलंब अंतर का अनुभव होता है, जिससे सिग्नल विरूपण होता है। इस घटना को सामूहिक रूप से फैलाव कहा जाता है। डिजिटल सिग्नल के लिए, फैलाव फाइबर के माध्यम से एक निश्चित दूरी तक फैलने के बाद पल्स को चौड़ा करने का कारण बनता है। गंभीर मामलों में, लगातार पल्स ओवरलैप हो जाएंगे, जिससे इंटरसिंबल हस्तक्षेप होगा। इसलिए, फैलाव ऑप्टिकल फाइबर की ट्रांसमिशन बैंडविड्थ को निर्धारित करता है और सिस्टम की ट्रांसमिशन दर या पुनरावर्तक दूरी को सीमित करता है। फैलाव और बैंडविड्थ विभिन्न दृष्टिकोणों से वर्णित ऑप्टिकल फाइबर की एक ही विशेषता है।

फैलाव के कारणों के आधार पर, ऑप्टिकल फाइबर फैलाव को मुख्य रूप से विभाजित किया गया है: मोडल फैलाव, सामग्री फैलाव, वेवगाइड फैलाव, और ध्रुवीकरण मोड फैलाव, जिसे नीचे पेश किया जाएगा।

मोड फैलाव

मोडल फैलाव आम तौर पर मल्टीमोड फाइबर में मौजूद होता है। क्योंकि मल्टीमोड फाइबर में कई मोड सह-अस्तित्व में होते हैं, और फाइबर अक्ष के साथ अलग-अलग मोड की समूह प्रसार गति अलग-अलग होती है, वे अनिवार्य रूप से अलग-अलग समय पर टर्मिनल पर पहुंचेंगे, जिसके परिणामस्वरूप समय में देरी होगी और इंटरमॉडल फैलाव होगा, जिससे पल्स चौड़ाई चौड़ी हो जाएगी। मोडल फैलाव के कारण नाड़ी का विस्तार चित्र 2-10 में दिखाया गया है। एक आदर्श एकल मोड फाइबर के लिए, चूंकि केवल एक मोड (मौलिक मोड - एलपी या एचई मोड) प्रसारित होता है, कोई मोडल फैलाव नहीं होता है, लेकिन ध्रुवीकरण मोड फैलाव मौजूद होता है।

अब, हम एक चरण - इंडेक्स मल्टीमोड फाइबर के अधिकतम मोडल फैलाव का अनुमान लगाते हैं। एक चरण{{2}इंडेक्स मल्टीमोड फाइबर का मोडल फैलाव चित्र 2-11 में दिखाया गया है। एक चरण - इंडेक्स मल्टीमोड फाइबर में, दो सबसे तेज़ और सबसे धीमी गति से फैलने वाली किरणें क्रमशः अक्ष के साथ फैलने वाली किरण ① और 0 डिग्री के महत्वपूर्ण कोण पर घटना वाली किरण ② हैं। इसलिए, स्टेप-इंडेक्स मल्टीमोड फाइबर में अधिकतम मोड फैलाव किरण ② (Tmax) द्वारा लिए गए समय और किरण ① (Tmin) द्वारा टर्मिनल, ΔT तक पहुंचने में लिए गए समय के बीच का अंतर है।_मक्स: ΔT_मक्स = T_{अधिकतम} / T_मिन

ज्यामितीय प्रकाशिकी के अनुसार, लंबाई L के एक ऑप्टिकल फाइबर में, अक्षीय दिशा के साथ प्रकाश किरणों की गति ① और ② क्रमशः c/n और synθ·c/n होने दें। इसलिए, ऑप्टिकल फाइबर का मोडल फैलाव है...

कमजोर रूप से निर्देशित ऑप्टिकल फाइबर में (फाइबर जहां एन_iऔर एन_iबहुत कम अंतर), ए=(एन_i- एन)/एन। यदि Δ=1%, n_iसिलिका ऑप्टिकल फाइबर के लिए=1.5, और फाइबर की लंबाई 1 किमी है, तो अधिकतम इंटरमॉडल फैलाव ΔT_m50 एनएस के रूप में गणना की जा सकती है। इसलिए, यह स्पष्ट है कि फाइबर की लंबाई जितनी अधिक होगी, इंटरमॉडल फैलाव उतना ही अधिक गंभीर होगा; और सापेक्ष अपवर्तक सूचकांक अंतर जितना अधिक होगा, इंटरमॉडल फैलाव उतना ही अधिक गंभीर होगा।

सामग्री का फैलाव

क्योंकि ऑप्टिकल फाइबर सामग्री का अपवर्तनांक प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के साथ भिन्न होता है, ऑप्टिकल सिग्नल की विभिन्न आवृत्तियों का समूह वेग भिन्न होता है, जिससे संचरण विलंब अंतर होता है, एक घटना जिसे सामग्री फैलाव के रूप में जाना जाता है। यह फैलाव ऑप्टिकल फाइबर सामग्री के अपवर्तक सूचकांक की तरंग दैर्ध्य विशेषताओं और प्रकाश स्रोत की लाइनविड्थ पर निर्भर करता है।

डिजिटल फाइबर ऑप्टिक संचार प्रणालियों में, वास्तविक प्रकाश स्रोत से आउटपुट प्रकाश एक तरंग दैर्ध्य नहीं है, बल्कि एक निश्चित वर्णक्रमीय लाइनविड्थ है। चूंकि फाइबर सामग्री का अपवर्तक सूचकांक तरंग दैर्ध्य का एक कार्य है, इसलिए इसके भीतर प्रकाश की प्रसार गति (λ)=c/n(λ) भी तरंग दैर्ध्य के साथ भिन्न होती है। जब एक प्रकाश स्रोत द्वारा एक निश्चित वर्णक्रमीय लाइनविड्थ के साथ उत्सर्जित प्रकाश पल्स एक एकल मोड फाइबर पर आपतित होता है और फैलता है, तो विभिन्न तरंग दैर्ध्य के प्रकाश पल्स की प्रसार गति अलग-अलग होगी, जिसके परिणामस्वरूप जब वे आउटपुट अंत तक पहुंचते हैं तो समय विलंब अंतर होता है, जिससे पल्स चौड़ी हो जाती है। यह भौतिक फैलाव का तंत्र है।

यदि समूह वेग u=da/dB के रूप में जाना जाता है, तो प्रति इकाई लंबाई समूह विलंब T=1/v,=n,/c है। इसलिए, लंबाई L के एक ऑप्टिकल फाइबर का सामग्री फैलाव है...

सूत्र में, c निर्वात में प्रकाश की गति है; λ फाइबर कोर का अपवर्तनांक है; λ प्रकाश की तरंग दैर्ध्य है; और Aλ प्रकाश स्रोत की वर्णक्रमीय लाइनविड्थ है, जहां Aλ=λ - λ, A पर केंद्रित तरंग दैर्ध्य रेंज का प्रतिनिधित्व करता है। आम तौर पर, फैलाव गुणांक का उपयोग फैलाव के परिमाण को मापने के लिए किया जाता है। फैलाव गुणांक डी (इकाई: पीएस/(एनएम·किमी)) को इस प्रकार परिभाषित किया गया है...

यह देखा जा सकता है कि फैलाव गुणांक एक प्रकाश स्रोत के कारण ऑप्टिकल फाइबर की एक इकाई लंबाई में फैलने वाली इकाई वर्णक्रमीय लाइनविड्थ के कारण होने वाला फैलाव है। यदि ऑप्टिकल फाइबर का सामग्री फैलाव गुणांक ज्ञात है, तो सामग्री फैलाव की गणना आसानी से ΔTm=DmAAL के रूप में की जा सकती है।

उदाहरण 2-1: मान लीजिए कि 1.31 मीटर की तरंग दैर्ध्य पर एक ऑप्टिकल फाइबर का अधिकतम सामग्री फैलाव गुणांक डी=3.5पीएस/(एनएम·किमी) है। यदि 1.31µm के केंद्र तरंग दैर्ध्य के साथ एक अर्धचालक लेजर का उपयोग λ=4nm की वर्णक्रमीय लाइनविड्थ के साथ संचरण प्रकाश उत्पन्न करने के लिए किया जाता है, तो ऑप्टिकल फाइबर की 1 किमी लंबाई में इस प्रकाश के प्रसार के कारण होने वाले सामग्री फैलाव की गणना करें।

समाधान: ऑप्टिकल फाइबर के सामग्री फैलाव की गणना आसानी से की जा सकती है:

T_m = D_mLΔA=3.5ps/(nm·km) x 1km x 4nm=0.014ns=14ps

जैसा कि उदाहरण 2-1 में देखा गया है, सामग्री का फैलाव अपेक्षाकृत छोटा है, यहां तक ​​कि स्टेप-इंडेक्स मल्टीमोड फाइबर के मोडल फैलाव से भी छोटा है। यह भी ध्यान दिया जाना चाहिए कि ऑप्टिकल फाइबर का फैलाव गुणांक (केवल सामग्री फैलाव गुणांक नहीं) सकारात्मक या नकारात्मक हो सकता है। ऑप्टिकल फाइबर में, समूह विलंब (ए) वाहक तरंग दैर्ध्य के साथ बढ़ता है; दूसरे शब्दों में, छोटी तरंग दैर्ध्य वाली प्रकाश तरंगें तेजी से फैलती हैं। इस मामले में, फैलाव गुणांक नकारात्मक होता है, जिसे नकारात्मक फैलाव कहा जाता है; इसके विपरीत, लंबी तरंग दैर्ध्य वाली प्रकाश तरंगें छोटी तरंग दैर्ध्य वाली प्रकाश तरंगों की तुलना में धीमी गति से फैलती हैं।

यहां, फैलाव गुणांक सकारात्मक है, जिसे सकारात्मक फैलाव कहा जाता है। स्पष्ट रूप से, यदि विपरीत फैलाव गुणांक संकेतों वाले दो ऑप्टिकल फाइबर एक साथ जुड़े हुए हैं, तो सामग्री फैलाव में सुधार होगा।

वेवगाइड फैलाव

वेवगाइड फैलाव ΔTw एक ऑप्टिकल फाइबर में एक विशिष्ट निर्देशित मोड को संदर्भित करता है। अलग-अलग तरंग दैर्ध्य में अलग-अलग चरण स्थिरांक होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अलग-अलग समूह वेग होते हैं और इस प्रकार फैलाव होता है। वेवगाइड फैलाव विभिन्न कारकों से भी संबंधित है जैसे ऑप्टिकल फाइबर के संरचनात्मक पैरामीटर और कोर और क्लैडिंग के बीच सापेक्ष अपवर्तक सूचकांक अंतर; इसलिए, इसे संरचनात्मक फैलाव भी कहा जाता है।

ध्रुवीकरण मोड फैलाव

ध्रुवीकरण मोड फैलाव एक प्रकार का फैलाव है जो एकल -मोड ऑप्टिकल फाइबर के लिए अद्वितीय है। क्योंकि एकल -मोड फाइबर वास्तव में दो परस्पर ऑर्थोगोनल ध्रुवीकरण मोड संचारित करते हैं, उनके विद्युत क्षेत्र क्रमशः x और y दिशाओं के साथ ध्रुवीकृत होते हैं।

फाइबर ऑप्टिक बैंडविड्थ

ऑप्टिकल फाइबर का फैलाव और बैंडविड्थ समान विशेषता का वर्णन करता है। वास्तव में, फैलाव वर्णन करता है कि संचरण के बाद समय अक्ष के साथ एक प्रकाश नाड़ी किस हद तक चौड़ी हो जाती है; यह समय क्षेत्र में फाइबर की विशेषताओं का विवरण है। दूसरी ओर, बैंडविड्थ, आवृत्ति डोमेन में इस विशेषता का वर्णन करता है। फ़्रीक्वेंसी डोमेन में, एक मॉड्यूलेटिंग सिग्नल के लिए, ऑप्टिकल फ़ाइबर को कम -पास फ़िल्टर माना जा सकता है। जब मॉड्यूलेटिंग सिग्नल के उच्च -आवृत्ति घटक इससे गुजरते हैं, तो वे गंभीर रूप से क्षीण हो जाते हैं। अर्थात्, यदि इनपुट सिग्नल (मॉड्यूलेटिंग सिग्नल) का आयाम स्थिर रहता है, लेकिन केवल आवृत्ति बदलती है, तो फाइबर के माध्यम से संचरण के बाद आउटपुट सिग्नल का आयाम मॉड्यूलेटिंग सिग्नल (इनपुट सिग्नल) की आवृत्ति के साथ बदल जाएगा। टीटीयू-टी यह निर्दिष्ट करने की अनुशंसा करता है कि ऑप्टिकल फाइबर की बैंडविड्थ [बैंडविड्थ प्रति किलोमीटर] है।