1.Wie werden Glasfasern kombiniert?

Antwort: Glasfaser besteht aus zwei Grundteilen: einem Kern aus transparentem optischem Material und einer Mantel- und Beschichtungsschicht.

2. Welche grundlegenden Parameter beschreiben die Übertragungseigenschaften von Glasfaserleitungen?

Antwort: Dazu gehören Verlust, Dispersion, Bandbreite, Grenzwellenlänge, Modenfelddurchmesser usw.

3. Was sind die Ursachen für die Faserdämpfung?

Antwort: Faserdämpfung bezeichnet die Verringerung der optischen Leistung zwischen zwei Querschnitten einer Faser, die mit der Wellenlänge zusammenhängt. Die Hauptursachen für die Dämpfung sind Streuung, Absorption und optischer Verlust durch Anschlüsse und Verbindungen.

4. Wie ist der Dämpfungskoeffizient einer Glasfaser definiert?

Antwort: Sie wird durch die Dämpfung pro Längeneinheit einer einheitlichen Glasfaser im stationären Zustand (dB/km) definiert.

5. Was ist Einfügungsverlust?

Antwort: Damit ist die Dämpfung gemeint, die durch das Einfügen optischer Komponenten (wie etwa Einfügen von Steckern oder Kopplern) in die optische Übertragungsleitung entsteht.

6. Womit ist die Bandbreite von Glasfaser verbunden?

Antwort: Die Bandbreite von Glasfasern bezieht sich auf die Modulationsfrequenz, wenn die Amplitude der optischen Leistung im Vergleich zur Amplitude der Nullfrequenz in der Übertragungsfunktion von Glasfasern um 50 % oder 3 dB reduziert wird. Die Bandbreite von Glasfasern ist ungefähr umgekehrt proportional zu ihrer Länge, und das Produkt aus Bandbreite und Länge ist eine Konstante.

7. Wie viele Arten der Glasfaserdispersion gibt es? Worauf bezieht es sich?

Antwort: Die Dispersion von Glasfasern bezieht sich auf die Verbreiterung der Gruppenverzögerung in einer Glasfaser, einschließlich Modendispersion, Materialdispersion und Strukturdispersion. Sie hängt von den Eigenschaften sowohl der Lichtquelle als auch der Glasfaser ab.

8. Wie lassen sich die Dispersionseigenschaften von Signalen beschreiben, die sich in Glasfasern ausbreiten?

Antwort: Es kann durch drei physikalische Größen beschrieben werden: Impulsverbreiterung, Bandbreite der Glasfaser und Dispersionskoeffizient der Glasfaser.

9. Was ist die Grenzwellenlänge?

Antwort: Es bezieht sich auf die kürzeste Wellenlänge, die nur den Grundmodus in der Glasfaser übertragen kann. Bei Singlemode-Glasfasern muss ihre Grenzwellenlänge kürzer sein als die Wellenlänge des übertragenen Lichts.

10. Welchen Einfluss hat die Verbreitung von Glasfaser auf die Leistung von Glasfaserkommunikationssystemen?

Antwort: Die Dispersion der Glasfaser führt dazu, dass der optische Impuls während der Übertragung in der Glasfaser verbreitert wird, was sich auf die Bitfehlerrate, die Übertragungsdistanz und die Systemrate auswirkt.

11. Was ist die Rückstreumethode?

Antwort: Die Rückstreumethode ist eine Methode zur Messung der Dämpfung entlang der Länge einer Glasfaser. Der größte Teil der optischen Leistung in der Glasfaser breitet sich nach vorne aus, aber ein kleiner Teil wird zum Lichtemitter zurückgestreut. Durch die Verwendung eines Spektrometers am Lichtemitter zur Beobachtung der Zeitkurve der Rückstreuung können nicht nur die Länge und Dämpfung der angeschlossenen einheitlichen Glasfaser von einem Ende aus gemessen werden, sondern auch die lokalen Unregelmäßigkeiten, Bruchstellen und der optische Leistungsverlust, die durch Verbindungen und Anschlüsse verursacht werden, können gemessen werden.

12. Was ist das Testprinzip des optischen Zeitbereichsreflektometers (OTDR)? Was sind seine Funktionen?

Antwort: OTDR basiert auf dem Prinzip der Lichtrückstreuung und der Fresnel-Reflexion. Es nutzt das bei der Ausbreitung von Licht in der Glasfaser erzeugte Rückstreulicht, um Dämpfungsinformationen zu erhalten. Damit können die Dämpfung von Glasfasern, Verbindungsverluste und die Position von Glasfaserfehlerstellen gemessen und die Verlustverteilung entlang der Länge der Glasfaser ermittelt werden. Es ist ein unverzichtbares Werkzeug für den Bau, die Wartung und die Überwachung von Glasfaserkabeln. Zu den wichtigsten Indikatoren gehören: Dynamikbereich, Empfindlichkeit, Auflösung, Messzeit und Blindbereich.

13. Was ist der blinde Bereich von OTDR? Welche Auswirkungen hat dies auf den Test? Wie geht man beim tatsächlichen Testen mit dem blinden Bereich um?

Antwort: Normalerweise werden eine Reihe von „blinden Flecken“, die durch die Sättigung des OTDR-Empfangsendes aufgrund von Reflexionen entstehen, die von Merkmalspunkten wie aktiven Anschlüssen und mechanischen Verbindungen erzeugt werden, als blinde Bereiche bezeichnet.

Die blinden Bereiche in Glasfasern werden in ereignisblinde Bereiche und dämpfungsblinde Bereiche unterteilt: Die Längendistanz vom Startpunkt des Reflexionspeaks bis zum Empfängersättigungspeak, die durch das Eingreifen aktiver Verbindungselemente verursacht wird, wird als ereignisblinde Bereiche bezeichnet; die Distanz vom Startpunkt des Reflexionspeaks bis zu anderen identifizierbaren Ereignispunkten, die durch das Eingreifen aktiver Verbindungselemente in Glasfasern verursacht werden, wird als dämpfungsblinde Bereiche bezeichnet.

Bei OTDR gilt: Je kleiner der Blindbereich, desto besser. Der Blindbereich vergrößert sich mit zunehmender Breite der Impulsverbreiterung. Obwohl eine Erhöhung der Impulsbreite die Messlänge vergrößert, vergrößert sie auch den Blindbereich der Messung. Daher sollten beim Testen von Glasfasern schmale Impulse verwendet werden, um die Glasfaser und die benachbarten Ereignispunkte des OTDR-Zubehörs zu messen, während breite Impulse verwendet werden sollten, um das entfernte Ende der Glasfaser zu messen.

14. Können OTDRs verschiedene Arten von Glasfasern messen?

A: Wenn Sie ein Singlemode-OTDR-Modul zum Messen einer Multimode-Faser oder ein Multimode-OTDR-Modul zum Messen einer Singlemode-Faser mit einem Kerndurchmesser von 62,5 mm verwenden, wird das Messergebnis der Faserlänge nicht beeinflusst, aber die Ergebnisse des Faserverlusts, des optischen Anschlussverlusts und des Rückflussverlusts werden falsch sein. Daher müssen Sie beim Messen von Glasfasern ein OTDR wählen, das zur zu messenden Faser passt, damit Sie für alle Leistungsindikatoren die richtigen Ergebnisse erhalten.

15. Was bedeutet „1310 nm“ oder „1550 nm“ bei gängigen optischen Testgeräten?

A: Es bezieht sich auf die Wellenlänge des optischen Signals. Der in der Glasfaserkommunikation verwendete Wellenlängenbereich liegt im Nahinfrarotbereich mit einer Wellenlänge zwischen 800 nm und 1700 nm. Es wird oft in kurzwellige und langwellige Bänder unterteilt, wobei ersteres sich auf 850 nm Wellenlänge bezieht und letzteres sich auf 1310 nm und 1550 nm bezieht.

16. Bei welcher Lichtwellenlänge ist die Dispersion bei derzeit handelsüblichen Glasfasern am geringsten? Bei welcher Lichtwellenlänge ist der Verlust am geringsten?

Antwort: Licht mit einer Wellenlänge von 1310 nm hat die geringste Dispersion und Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm hat den geringsten Verlust.

17. Wie werden Glasfasern nach der Änderung des Brechungsindex des Glasfaserkerns klassifiziert?

Antwort: Sie können in Stufenindex-Lichtwellenleiter und Gradientenindex-Lichtwellenleiter unterteilt werden. Stufenindex-Lichtwellenleiter haben eine schmale Bandbreite und eignen sich für Kurzstreckenkommunikation mit geringer Kapazität; Gradientenindex-Lichtwellenleiter haben eine große Bandbreite und eignen sich für Kommunikation mit mittlerer und großer Kapazität.

18. Wie werden Glasfasern entsprechend der unterschiedlichen in Glasfasern übertragenen Lichtwellenmodi klassifiziert?

Antwort: Sie können in Singlemode-Glasfasern und Multimode-Glasfasern unterteilt werden. Der Kerndurchmesser von Singlemode-Glasfasern beträgt etwa 1 bis 10 μm. Bei einer bestimmten Arbeitswellenlänge wird nur ein einziger Grundmodus übertragen, was für Kommunikationssysteme mit großer Kapazität und großer Entfernung geeignet ist. Multimode-Glasfasern können mehrere Lichtwellenmodi übertragen, mit einem Kerndurchmesser von etwa 50 bis 60 μm, und ihre Übertragungsleistung ist schlechter als die von Singlemode-Glasfasern.

Bei der Übertragung des Stromdifferentialschutzes eines Multiplexschutzes werden häufig Multimode-Lichtwellenleiter zwischen dem im Kommunikationsraum des Umspannwerks installierten optoelektronischen Umwandlungsgerät und dem im Hauptkontrollraum installierten Schutzgerät verwendet.

19. Welche Bedeutung hat die numerische Apertur (NA) einer Stufenindex-Glasfaser?

Antwort: Die numerische Apertur (NA) gibt die Lichtsammelfähigkeit der Glasfaser an. Je größer die NA, desto stärker ist die Lichtsammelfähigkeit der Glasfaser.

20. Wie hoch ist die Doppelbrechung einer Singlemode-Glasfaser?

Antwort: In einer Singlemode-Glasfaser gibt es zwei orthogonale Polarisationsmodi. Wenn die Glasfaser nicht vollständig zylindersymmetrisch ist, sind die beiden orthogonalen Polarisationsmodi nicht entartet. Der absolute Wert der Differenz des Brechungsindex der beiden orthogonalen Polarisationsmodi ist die Doppelbrechung.

21. Was sind die gängigsten optischen Kabelstrukturen?

Antwort: Es gibt zwei Typen: den schichtverdrehten Typ und den Skeletttyp.

22. Was sind die Hauptbestandteile optischer Kabel?

Antwort: Es besteht hauptsächlich aus: Faserkern, Glasfaserfett, Mantelmaterial, PBT (Polybutylenterephthalat) und anderen Materialien.

23. Was versteht man unter der Panzerung von optischen Kabeln?

Antwort: Es bezieht sich auf das Schutzelement (normalerweise Stahldraht oder Stahlgürtel), das in optischen Kabeln für spezielle Zwecke (z. B. optische Unterseekabel usw.) verwendet wird. Die Panzerung ist an der inneren Ummantelung des optischen Kabels angebracht.

24. Welche Materialien werden für die Ummantelung optischer Kabel verwendet?

Antwort: Der Mantel bzw. die Ummantelung von optischen Kabeln besteht üblicherweise aus den Materialien Polyethylen (PE) und Polyvinylchlorid (PVC) und hat die Funktion, den Kabelkern vor äußeren Einflüssen zu schützen.

25. Listen Sie die speziellen optischen Kabel auf, die in Stromversorgungssystemen verwendet werden.

Antwort: Es gibt hauptsächlich drei spezielle optische Kabel:

Bei einem optischen Verbundkabel mit Erdungsdraht (OPGW) wird die Glasfaser in die Stromleitung der stahlummantelten Aluminiumlitzenstruktur eingelegt. Das optische OPGW-Kabel dient als Erdungsdraht und als Kommunikationskabel und verbessert so effektiv die Auslastung von Strommasten und -türmen.

Umwickeltes optisches Kabel (GWWOP): Wenn eine vorhandene Übertragungsleitung vorhanden ist, wird diese Art von optischem Kabel um den Erdungsdraht gewickelt oder daran aufgehängt.

Selbsttragende optische Kabel (ADSS) verfügen über eine hohe Zugfestigkeit und können mit einer maximalen Spannweite von bis zu 1000 m direkt zwischen zwei Strommasten aufgehängt werden.

26. Wie viele Anwendungsstrukturen gibt es für OPGW-Glasfaserkabel?

Antwort: Hauptsächlich: 1) Struktur aus gedrehten Kunststoffrohrschichten + Aluminiumrohr; 2) Struktur aus zentralem Kunststoffrohr + Aluminiumrohr; 3) Struktur aus Aluminiumskelett; 4) Spiralförmige Aluminiumrohrstruktur; 5) Einschichtige Edelstahlrohrstruktur (zentrale Edelstahlrohrstruktur, Struktur aus gedrehten Edelstahlrohrschichten); 6) Verbundstruktur aus Edelstahlrohr (zentrale Edelstahlrohrstruktur, Struktur aus gedrehten Edelstahlrohrschichten).

27. Was sind die Hauptkomponenten des Litzendrahts außerhalb des OPGW-Glasfaserkabelkerns?

Antwort: Es besteht aus AA-Draht (Aluminiumlegierungsdraht) und AS-Draht (aluminiumummantelter Stahldraht).

28. Welche technischen Bedingungen müssen für die Auswahl von OPGW-Glasfaserkabelmodellen erfüllt sein?

Antwort: 1) Nennzugfestigkeit (RTS) des OPGW-Kabels (kN); 2) Anzahl der Faserkerne (SM) des OPGW-Kabels; 3) Kurzschlussstrom (kA); 4) Kurzschlusszeit (s); 5) Temperaturbereich (℃).

29. Wie wird der Biegegrad des optischen Kabels begrenzt?

Antwort: Der Biegeradius des optischen Kabels sollte während der Konstruktion (nicht statischer Zustand) nicht weniger als das 20-fache des Außendurchmessers des optischen Kabels und nicht weniger als das 30-fache des Außendurchmessers des optischen Kabels betragen.

30. Worauf ist bei der ADSS-Glasfaserkabeltechnik zu achten?

Antwort: Es gibt drei Schlüsseltechnologien: mechanisches Design des optischen Kabels, Bestimmung der Aufhängepunkte und Auswahl und Installation der unterstützenden Hardware.

31. Was sind die wichtigsten Arten von Glasfaserkabelgarnituren?

Antwort: Unter optischen Kabelarmaturen versteht man die Hardware, die zur Installation optischer Kabel verwendet wird. Dazu gehören hauptsächlich Spannklemmen, Aufhängungsklemmen, Schwingungsisolatoren usw.

32. Glasfaser-Steckverbinder haben zwei grundlegende Leistungsparameter. Welche sind diese?

Antwort: Glasfaser-Steckverbinder werden allgemein als Live-Joints bezeichnet. Bei den Anforderungen an die optische Leistung von Einzelfaser-Steckverbindern liegt der Schwerpunkt auf den beiden grundlegendsten Leistungsparametern Einfügungsdämpfung und Rückflussdämpfung.

33. Wie viele Arten häufig verwendeter Glasfaser-Steckverbinder gibt es?

Antwort: Nach verschiedenen Klassifizierungsmethoden können Glasfaserverbinder in verschiedene Typen unterteilt werden. Nach verschiedenen Übertragungsmedien können sie in Singlemode-Glasfaserverbinder und Multimode-Glasfaserverbinder unterteilt werden; nach unterschiedlichen Strukturen können sie in verschiedene Typen wie FC, SC, ST, D4, DIN, Biconic, MU, LC, MT usw. unterteilt werden; nach der Stiftstirnseite des Verbinders können sie in FC, PC (UPC) und APC unterteilt werden. Häufig verwendete Glasfaserverbinder: Glasfaserverbinder vom Typ FC/PC, Glasfaserverbinder vom Typ SC, Glasfaserverbinder vom Typ LC.

34. Im Glasfaserkommunikationssystem sind die folgenden Elemente häufig zu finden. Bitte geben Sie deren Namen an.

AFC, FC-Adapter, ST-Adapter, SC-Adapter, FC/APC, FC/PC-Stecker, SC-Stecker, ST-Stecker, LC-Patchkabel, MU-Patchkabel, Singlemode- oder Multimode-Patchkabel.

35. Wie hoch ist der Einfügungsverlust (oder die Einfügungsdämpfung) des Glasfasersteckers?

Antwort: Es bezieht sich auf den Wert der Reduzierung der effektiven Leistung der Übertragungsleitung, die durch das Einstecken des Steckers verursacht wird. Für Benutzer gilt: Je kleiner der Wert, desto besser. ITU-T legt fest, dass der Wert 0,5 dB nicht überschreiten darf.

36. Wie hoch ist die Rückflussdämpfung (bzw. Reflexionsdämpfung, Rückflussdämpfung, Rückflussdämpfung) des Glasfaser-Steckers?

Antwort: Es handelt sich um ein Maß für die Eingangsleistungskomponente, die vom Anschluss reflektiert und über den Eingangskanal zurückgeführt wird. Der typische Wert sollte nicht unter 25 dB liegen.

37. Was ist der auffälligste Unterschied zwischen dem von Leuchtdioden und Halbleiterlasern ausgestrahlten Licht?

Antwort: Das von einer Leuchtdiode erzeugte Licht ist inkohärentes Licht mit einem breiten Spektrum; das von einem Laser erzeugte Licht ist kohärentes Licht mit einem sehr schmalen Spektrum.

38. Was ist der offensichtlichste Unterschied zwischen den Arbeitseigenschaften einer Leuchtdiode (LED) und eines Halbleiterlasers (LD)?

Antwort: LED hat keinen Schwellenwert, während LD einen Schwellenwert hat. Der Laser wird nur erzeugt, wenn der eingespeiste Strom den Schwellenwert überschreitet.

39. Welche beiden Halbleiterlaser mit einzelnem Longitudinalmodus werden üblicherweise verwendet?

Antwort: DFB-Laser und DBR-Laser sind beides Laser mit verteilter Rückkopplung, und ihre optische Rückkopplung wird durch das Bragg-Gitter mit verteilter Rückkopplung im optischen Resonator bereitgestellt.

40. Was sind die beiden Haupttypen optischer Empfangsgeräte?

Antwort: Es handelt sich dabei hauptsächlich um Photodioden (PIN-Röhren) und Avalanche-Photodioden (APDs).

41. Welche Faktoren verursachen Rauschen in Glasfaser-Kommunikationssystemen?

Antwort: Es gibt Rauschen, das durch ein unzureichendes Extinktionsverhältnis verursacht wird, Rauschen, das durch zufällige Änderungen der Lichtintensität verursacht wird, Rauschen, das durch Zeitjitter verursacht wird, Punktrauschen und thermisches Rauschen des Empfängers, Modusrauschen der Glasfaser, Rauschen, das durch Impulsverbreiterung aufgrund von Dispersion verursacht wird, Modusverteilungsrauschen von LD, Rauschen, das durch Frequenzchirp von LD verursacht wird, und Rauschen, das durch Reflexion verursacht wird.

42. Welche Glasfasern werden derzeit hauptsächlich für den Aufbau von Übertragungsnetzen verwendet? Was sind ihre Hauptmerkmale?

Antwort: Es gibt drei Haupttypen, nämlich G.652 herkömmliche Singlemode-Glasfasern, G.653 dispersionsverschobene Singlemode-Glasfasern und G.655 ungleich Null dispersionsverschobene Glasfasern.

G.652-Singlemode-Fasern weisen eine große Dispersion im C-Band 1530–1565 nm und im L-Band 1565–1625 nm auf, im Allgemeinen 17–22 psnm•km. Wenn die Systemrate 2,5 Gbit/s oder mehr erreicht, ist eine Dispersionskompensation erforderlich. Bei 10 Gbit/s sind die Kosten für die Systemdispersionskompensation relativ hoch. Es ist die am häufigsten verwendete Faser im aktuellen Übertragungsnetz.

Die Dispersion von G.653-dispersionsverschobenen Fasern im C- und L-Band beträgt im Allgemeinen -1-3,5 psnm•km und ist bei 1550 nm nulldispersiv. Die Systemrate kann 20 Gbit/s und 40 Gbit/s erreichen, was sie zur besten Faser für die Übertragung über ultralange Distanzen mit einer Wellenlänge macht. Aufgrund ihrer Nulldispersionseigenschaften treten jedoch nichtlineare Effekte auf, wenn DWDM zur Kapazitätserweiterung verwendet wird, was zu Signalübersprechen und Vierwellen-Misch-FWM führt, sodass sie für DWDM nicht geeignet ist.

G.655-Faser mit nicht-null-dispersionsverschobener Faser: Die Dispersion der G.655-Faser mit nicht-null-dispersionsverschobener Faser im C-Band beträgt 1 bis 6 psnm•km, und die Dispersion im L-Band beträgt im Allgemeinen 6 bis 10 psnm•km. Die Dispersion ist gering, wodurch der Nulldispersionsbereich vermieden und die Vierwellen-Misch-FWM unterdrückt wird, und kann zur Erweiterung der DWDM-Kapazität und zum Öffnen von Hochgeschwindigkeitssystemen verwendet werden. Die neue G.655-Faser kann die effektive Fläche auf das 1,5- bis 2-fache der normalen Glasfaser erweitern. Die große effektive Fläche kann die Leistungsdichte verringern und den nichtlinearen Effekt der Glasfaser reduzieren.

43. Was ist die Nichtlinearität von Glasfasern?

Antwort: Das bedeutet, dass, wenn die optische Leistung der Faser einen bestimmten Wert überschreitet, der Brechungsindex der optischen Faser in einem nichtlinearen Verhältnis zur optischen Leistung steht und Raman-Streuung und Brillouin-Streuung erzeugt werden, wodurch sich die Frequenz des einfallenden Lichts ändert.

44. Welchen Einfluss hat die Nichtlinearität der Glasfaser auf die Übertragung?

Antwort: Der nichtlineare Effekt führt zu zusätzlichen Verlusten und Störungen und verschlechtert die Leistung des Systems. Die optische Leistung des WDM-Systems ist groß und wird über eine lange Distanz entlang der Glasfaser übertragen, sodass eine nichtlineare Verzerrung auftritt. Es gibt zwei Arten nichtlinearer Verzerrung: stimulierte Streuung und nichtlineare Brechung. Zur stimulierten Streuung gehören unter anderem die Raman-Streuung und die Brillouin-Streuung. Die beiden oben genannten Streuungsarten reduzieren die Energie des einfallenden Lichts und verursachen Verluste. Sie können ignoriert werden, wenn die Eingangsfaserleistung gering ist.

45. Was ist PON (Passive Optical Network)?

Antwort: PON ist ein optisches Glasfaser-Loop-Netzwerk im lokalen Benutzerzugangsnetzwerk, das auf passiven optischen Geräten wie Kopplern und Splittern basiert.

Verschiedene Ursachen für Glasfaserdämpfung

1. Die Hauptfaktoren, die eine Faserdämpfung verursachen, sind: intrinsische Faktoren, Biegung, Extrusion, Verunreinigungen, Unebenheiten und Andocken.

Intrinsisch: Dies ist der inhärente Verlust von Glasfasern, einschließlich: Rayleigh-Streuung, inhärente Absorption usw.

Biegen: Wenn die Glasfaser gebogen wird, geht ein Teil des Lichts in der Glasfaser durch Streuung verloren, was zu Verlusten führt.

Extrusion: Verlust, der durch eine leichte Biegung beim Zusammendrücken der Glasfaser entsteht.

Verunreinigungen: Verunreinigungen in der Glasfaser absorbieren und streuen das sich in der Glasfaser ausbreitende Licht und verursachen so Verluste.

Ungleichmäßigkeit: Verlust, der durch einen ungleichmäßigen Brechungsindex des Glasfasermaterials verursacht wird.

Andocken: Beim Andocken von Glasfasern entstehen Verluste, wie z. B.: unterschiedliche Achsen (Koaxialitätsanforderung für Singlemode-Glasfasern unter 0,8 μm), die Endfläche ist nicht senkrecht zur Achse, die Endfläche ist uneben, der Durchmesser des Andockkerns passt nicht und die Qualität der Verschmelzung ist schlecht.

Wenn Licht an einem Ende der Glasfaser eintritt und am anderen Ende austritt, wird die Lichtintensität schwächer. Das bedeutet, dass nach der Ausbreitung des optischen Signals durch die Glasfaser ein Teil der Lichtenergie gedämpft wird. Das deutet darauf hin, dass sich in der Glasfaser bestimmte Substanzen befinden oder dass diese aus irgendeinem Grund den Durchgang des optischen Signals blockieren. Das ist der Übertragungsverlust der Glasfaser. Nur durch die Reduzierung des Verlusts der Glasfaser kann das optische Signal reibungslos passieren.

2. Klassifizierung des Glasfaserverlusts

Der Verlust von Glasfasern kann grob in den inhärenten Verlust der Glasfaser und den zusätzlichen Verlust unterteilt werden, der durch die Nutzungsbedingungen nach der Herstellung der Glasfaser entsteht. Die spezifischen Unterteilungen sind wie folgt:

Der Verlust durch Glasfaserkabel kann in einen inhärenten Verlust und einen zusätzlichen Verlust unterteilt werden.

Zu den inhärenten Verlusten zählen Streuverluste, Absorptionsverluste und Verluste, die durch eine fehlerhafte Glasfaserstruktur verursacht werden.

Zu den zusätzlichen Verlusten zählen Mikrobiegeverluste, Biegeverluste und Spleißverluste.

Unter anderem werden zusätzliche Verluste beim Verlegen von Glasfasern künstlich verursacht. In praktischen Anwendungen ist es unvermeidlich, Glasfasern einzeln zu verbinden, und Glasfaserverbindungen verursachen Verluste. Mikrobiegungen, Quetschungen und Dehnungen von Glasfasern verursachen ebenfalls Verluste. Dies sind alles Verluste, die durch die Nutzungsbedingungen von Glasfasern verursacht werden. Der Hauptgrund ist, dass sich unter diesen Bedingungen der Übertragungsmodus im Glasfaserkern geändert hat. Zusätzliche Verluste können so weit wie möglich vermieden werden. Im Folgenden diskutieren wir nur die inhärenten Verluste von Glasfasern.

Unter den inhärenten Verlusten werden Streuverlust und Absorptionsverlust durch die Eigenschaften des Glasfasermaterials selbst bestimmt, und der inhärente Verlust, der bei unterschiedlichen Arbeitswellenlängen entsteht, ist ebenfalls unterschiedlich. Für die Entwicklung von Glasfasern mit geringem Verlust und die rationelle Verwendung von Glasfasern ist es äußerst wichtig, den Mechanismus der Verlustentstehung zu verstehen und die durch verschiedene Faktoren verursachte Verlustgröße quantitativ zu analysieren.

3. Absorptionsverlust von Materialien

Die Materialien, aus denen Glasfasern hergestellt werden, können Lichtenergie absorbieren. Nachdem die Partikel im Glasfasermaterial Lichtenergie absorbiert haben, vibrieren sie und erzeugen Wärme, und die Energie geht verloren, wodurch ein Absorptionsverlust entsteht. Wir wissen, dass Materie aus Atomen und Molekülen besteht und Atome aus Atomkernen und extranuklearen Elektronen bestehen und Elektronen in einer bestimmten Umlaufbahn um den Atomkern kreisen. Das ist genau wie die Erde, auf der wir leben, und Planeten wie Venus und Mars, die um die Sonne kreisen. Jedes Elektron hat eine bestimmte Energie und befindet sich in einer bestimmten Umlaufbahn, oder anders gesagt, jede Umlaufbahn hat ein bestimmtes Energieniveau.

Das Orbitalenergieniveau in der Nähe des Kerns ist niedriger, und das Orbitalenergieniveau weiter vom Kern entfernt ist höher. Die Größe dieses Energieniveauunterschieds zwischen den Umlaufbahnen wird als Energieniveaudifferenz bezeichnet. Wenn ein Elektron von einem niedrigen Energieniveau auf ein hohes Energieniveau wechselt, absorbiert es die Energie der entsprechenden Energieniveaudifferenz.

Wenn in einer Glasfaser ein Elektron mit einem bestimmten Energieniveau mit Licht einer Wellenlänge bestrahlt wird, die dem Energieniveauunterschied entspricht, wechselt das Elektron in der Umlaufbahn mit niedrigem Energieniveau in die Umlaufbahn mit höherem Energieniveau. Dieses Elektron absorbiert Lichtenergie, was zu einem Verlust der Lichtabsorption führt.

Siliziumdioxid (SiO2), das Grundmaterial zur Herstellung von Glasfasern, absorbiert selbst Licht. Eine dieser Absorptionen wird als Ultraviolettabsorption bezeichnet, die andere als Infrarotabsorption. Gegenwärtig funktioniert die Glasfaserkommunikation im Allgemeinen nur im Wellenlängenbereich von 0,8 bis 1,6 μm, daher diskutieren wir nur den Verlust in diesem Arbeitsbereich.

Der Absorptionspeak, der durch Elektronenübergänge in Quarzglas erzeugt wird, liegt bei etwa 0,1 bis 0,2 μm Wellenlänge im Ultraviolettbereich. Mit zunehmender Wellenlänge nimmt die Absorptionswirkung allmählich ab, aber der betroffene Bereich ist sehr breit und reicht bis zu Wellenlängen über 1 μm. Die Ultraviolettabsorption hat jedoch nur geringe Auswirkungen auf Quarzlichtwellenleiter, die im Infrarotbereich arbeiten. Beispielsweise kann die Ultraviolettabsorption im sichtbaren Lichtbereich mit einer Wellenlänge von 0,6 μm 1 dB/km erreichen, bei einer Wellenlänge von 0,8 μm sinkt sie auf 0,2 bis 0,3 dB/km und bei einer Wellenlänge von 1,2 μm beträgt sie nur etwa 0,1 dB/km.

Der Infrarotabsorptionsverlust von Quarzglasfasern wird durch die Molekülschwingung des Infrarotmaterials verursacht. Im Band über 2 μm gibt es mehrere Schwingungsabsorptionsspitzen.

Aufgrund des Einflusses verschiedener Dotierungselemente in der Glasfaser ist es für Quarzglasfasern unmöglich, ein verlustarmes Fenster im Band über 2 μm aufzuweisen, und der theoretische Grenzverlust bei einer Wellenlänge von 1,85 μm beträgt ldB/km.

Durch Untersuchungen wurde auch festgestellt, dass es in Quarzglas einige „zerstörerische Moleküle“ gibt, die Probleme verursachen, hauptsächlich einige schädliche Übergangsmetallverunreinigungen wie Kupfer, Eisen, Chrom, Mangan usw. Diese „Bösewichte“ absorbieren bei Lichtbestrahlung gierig Lichtenergie, springen herum und verursachen Lichtenergieverlust. Das Entfernen der „Unruhestifter“ und die chemische Reinigung der zur Herstellung von Glasfasern verwendeten Materialien kann den Verlust erheblich reduzieren.

Eine weitere Absorptionsquelle in Quarzglasfasern ist Hydroxyl (OHˉ). Untersuchungen dieser Zeit haben ergeben, dass Hydroxyl im Arbeitsband von Glasfasern drei Absorptionsspitzen aufweist, nämlich 0,95 μm, 1,24 μm und 1,38 μm. Der Absorptionsverlust bei einer Wellenlänge von 1,38 μm ist dabei am gravierendsten und hat die größte Auswirkung auf die Glasfaser. Bei einer Wellenlänge von 1,38 μm beträgt der Absorptionsspitzenverlust, der durch den Hydroxidgehalt von nur 0,0001 erzeugt wird, bis zu 33 dB/km.

Woher kommen diese Hydroxide? Es gibt viele Quellen für Hydroxide. Erstens enthalten die Materialien, aus denen Glasfasern hergestellt werden, Wasser und Hydroxidverbindungen. Diese Hydroxidverbindungen lassen sich bei der Reinigung der Rohstoffe nicht so leicht entfernen und verbleiben schließlich in Form von Hydroxiden in der Glasfaser. Zweitens enthalten die Hydroxide, aus denen Glasfasern hergestellt werden, eine kleine Menge Wasser. Drittens entsteht Wasser aufgrund chemischer Reaktionen während des Herstellungsprozesses von Glasfasern. Viertens wird Wasserdampf durch eindringende Außenluft eingebracht. Der aktuelle Herstellungsprozess hat sich jedoch auf ein ziemlich hohes Niveau entwickelt und der Hydroxidgehalt ist auf ein ausreichend niedriges Niveau gesunken, sodass seine Auswirkungen auf Glasfasern vernachlässigt werden können.

4. Streuverlust

Wenn man in der dunklen Nacht mit einer Taschenlampe in den Himmel leuchtet, kann man einen Lichtstrahl sehen. Menschen haben auch dicke Lichtstrahlen von Suchscheinwerfern am Nachthimmel gesehen.

Warum sehen wir diese Lichtstrahlen? Das liegt daran, dass in der Atmosphäre viele kleine Partikel wie Rauch und Staub schweben. Wenn Licht auf diese Partikel fällt, streut es und schießt in alle Richtungen. Dieses Phänomen wurde zuerst von Rayleigh entdeckt, daher nannte man diese Streuung „Rayleigh-Streuung“.

Wie kommt es zur Streuung? Es stellt sich heraus, dass die winzigen Teilchen, aus denen Materie besteht, wie Moleküle, Atome und Elektronen, mit bestimmten Eigenfrequenzen schwingen und Licht mit einer Wellenlänge abgeben können, die der Schwingungsfrequenz entspricht. Die Schwingungsfrequenz eines Teilchens wird durch die Größe des Teilchens bestimmt. Je größer das Teilchen, desto niedriger die Schwingungsfrequenz und desto länger die Wellenlänge des abgegebenen Lichts; je kleiner das Teilchen, desto höher die Schwingungsfrequenz und desto kürzer die Wellenlänge des abgegebenen Lichts. Diese Schwingungsfrequenz wird als Eigenschwingungsfrequenz des Teilchens bezeichnet. Diese Schwingung entsteht jedoch nicht von selbst, sondern erfordert eine bestimmte Menge an Energie. Sobald ein Teilchen mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt wird und die Frequenz des bestrahlten Lichts mit der Eigenschwingungsfrequenz des Teilchens übereinstimmt, entsteht Resonanz. Die Elektronen im Teilchen beginnen mit dieser Schwingungsfrequenz zu schwingen, was dazu führt, dass das Teilchen Licht in alle Richtungen streut und die Energie des einfallenden Lichts absorbiert und in Energie des Teilchens umgewandelt wird, und das Teilchen gibt die Energie in Form von Lichtenergie wieder ab. Daher hat es für einen Beobachter von außen den Anschein, als ob das Licht auf das Teilchen trifft und dann in alle Richtungen hinausfliegt.

Rayleigh-Streuung tritt auch in optischen Fasern auf, und der dadurch verursachte Lichtverlust wird als Rayleigh-Streuverlust bezeichnet. Angesichts des aktuellen Stands der Technologie zur Herstellung optischer Fasern kann man sagen, dass Rayleigh-Streuverluste unvermeidbar sind. Da die Größe des Rayleigh-Streuverlusts jedoch umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Lichtwellenlänge ist, können die Auswirkungen des Rayleigh-Streuverlusts erheblich verringert werden, wenn die optische Faser im Bereich langer Wellenlängen betrieben wird.

5. Angeborener Mangel, niemand kann helfen

Die Struktur der Glasfaser ist fehlerhaft, z. B. weist die Glasfaser Blasen, Verunreinigungen oder eine ungleichmäßige Dicke auf, insbesondere die ungleichmäßige Kern-Mantel-Grenzfläche. Wenn das Licht diese Stellen erreicht, wird ein Teil des Lichts in alle Richtungen gestreut, was zu Verlusten führt. Diese Verluste können durch eine Verbesserung des Herstellungsprozesses der Glasfaser überwunden werden. Durch die Streuung wird Licht in alle Richtungen emittiert, und ein Teil des gestreuten Lichts wird in die entgegengesetzte Richtung der Ausbreitung der Glasfaser zurückreflektiert. Dieser Teil des gestreuten Lichts kann am einfallenden Ende der Glasfaser empfangen werden. Durch die Lichtstreuung geht ein Teil der Lichtenergie verloren, was unerwünscht ist. Dieses Phänomen können wir uns jedoch auch zunutze machen, denn wenn wir die Stärke des empfangenen Teils des Lichts am sendenden Ende analysieren, können wir die Bruchstellen, Defekte und Verluste dieser Glasfaser überprüfen. Auf diese Weise können durch menschliches Einfallsreichtum schlechte Dinge in gute Dinge verwandelt werden.

Glasfaserverlust In den letzten Jahren wurde die Glasfaserkommunikation in vielen Bereichen weit verbreitet eingesetzt. Ein wichtiges Thema bei der Realisierung der Glasfaserkommunikation besteht darin, den Glasfaserverlust so weit wie möglich zu reduzieren. Der sogenannte Verlust bezieht sich auf die Dämpfung der Glasfaser pro Längeneinheit und die Einheit ist dB/km. Der Grad des Glasfaserverlusts wirkt sich direkt auf die Übertragungsdistanz oder die Entfernung zwischen Relaisstationen aus. Daher ist das Verständnis und die Reduzierung des Glasfaserverlusts für die Glasfaserkommunikation von großer praktischer Bedeutung.

1. Absorptionsverlust von Glasfasern

Dies wird durch die Absorption von Lichtenergie durch Glasfasermaterialien und Verunreinigungen verursacht. Sie verbrauchen Lichtenergie in Form von Wärmeenergie in der Glasfaser, was einen erheblichen Verlust bei der Glasfaser darstellt. Absorptionsverluste umfassen Folgendes:

① Intrinsischer Absorptionsverlust des Materials. Dies ist der Verlust, der durch die inhärente Absorption des Materials verursacht wird. Es gibt zwei Bänder, eines im 8-12 μm-Bereich des Nahinfrarots. Die intrinsische Absorption dieses Bandes ist auf Vibration zurückzuführen. Das andere intrinsische Absorptionsband des Materials liegt im Ultraviolettband. Wenn die Absorption sehr stark ist, wird ihr Ende in das 0,7-1,1 μm-Band gezogen.

② Absorptionsverlust durch Dotierstoffe und Verunreinigungsionen. Glasfasermaterialien enthalten Übergangsmetalle wie Eisen, Kupfer, Chrom usw. Sie haben ihre eigenen Absorptionsspitzen und Absorptionsbänder und variieren mit ihren Valenzzuständen. Der durch die Absorption von Übergangsmetallionen verursachte Glasfaserverlust hängt von ihrer Konzentration ab. Darüber hinaus führt das Vorhandensein von OH- auch zu Absorptionsverlusten. Die grundlegende Absorptionsspitze von OH- liegt bei 2,7 μm und das Absorptionsband liegt im Bereich von 0,5 bis 1,0 μm. Bei reinen Quarzglasfasern kann der durch Verunreinigungen verursachte Verlust vernachlässigt werden.

③ Absorptionsverlust durch atomare Defekte: Wenn das Glasfasermaterial erhitzt oder stark bestrahlt wird, werden die Atomdefekte angeregt, was zur Absorption von Licht und zu Verlusten führt. Im Allgemeinen ist dieser Effekt jedoch sehr gering.

2. Streuverluste von Glasfasern

Die Streuung innerhalb der Glasfaser verringert die Übertragungsleistung und führt zu Verlusten. Die wichtigste Streuung ist die Rayleigh-Streuung, die durch Dichte- und Zusammensetzungsänderungen im Glasfasermaterial verursacht wird.

Während des Erhitzungsprozesses des Glasfasermaterials ist aufgrund der thermischen Bewegung die Kompressibilität der Atome ungleichmäßig, die Dichte des Materials ist ungleichmäßig und dann ist der Brechungsindex ungleichmäßig. Diese Ungleichmäßigkeit wird während des Abkühlungsprozesses behoben und ihre Größe ist kleiner als die Wellenlänge der Lichtwelle. Wenn Licht auf diese ungleichmäßigen Materialien trifft, die kleiner als die Wellenlänge der Lichtwelle sind und während der Übertragung zufällige Schwankungen aufweisen, ändert sich die Übertragungsrichtung, es kommt zu Streuung und Verlusten. Darüber hinaus können die ungleichmäßige Konzentration der in der Glasfaser enthaltenen Oxide und die ungleichmäßige Dotierung ebenfalls zu Streuung und Verlusten führen.

3. Streuverluste im Wellenleiter

Dies ist die Streuung, die durch zufällige Verzerrungen oder Rauheiten der Schnittstelle verursacht wird. Tatsächlich ist es die Modusumwandlung oder Moduskopplung, die durch Oberflächenverzerrungen oder -rauheiten verursacht wird. Ein Modus erzeugt aufgrund der Schwankungen der Schnittstelle andere Übertragungsmodi und Strahlungsmodi. Da die Dämpfung verschiedener in der optischen Faser übertragener Modi unterschiedlich ist, wird im Prozess der Modusumwandlung über große Entfernungen der Modus mit geringer Dämpfung zum Modus mit großer Dämpfung. Nach kontinuierlicher Umwandlung und Rückumwandlung wird zwar der Verlust jedes Modus ausgeglichen, der Modus als Ganzes erzeugt jedoch zusätzliche Verluste, d. h. es entsteht ein zusätzlicher Verlust aufgrund der Umwandlung des Modus. Dieser zusätzliche Verlust ist der Wellenleiterstreuverlust. Um diesen Verlust zu verringern, ist es notwendig, den Herstellungsprozess der optischen Faser zu verbessern. Bei optischen Fasern, die gut gezogen sind oder von hoher Qualität sind, kann dieser Verlust grundsätzlich vernachlässigt werden.

4. Strahlungsverlust durch Biegung der Glasfaser

Glasfasern sind weich und können gebogen werden. Nach einem gewissen Biegegrad kann die Glasfaser zwar Licht leiten, ändert jedoch den Übertragungsweg des Lichts. Die Umwandlung vom Übertragungsmodus in den Strahlungsmodus führt dazu, dass ein Teil der Lichtenergie in die Ummantelung eindringt oder durch die Ummantelung hindurchgeht, um in einen Strahlungsmodus zu wechseln und auszutreten, wodurch Verluste entstehen. Wenn der Biegeradius größer als 5 bis 10 cm ist, können die durch das Biegen verursachten Verluste vernachlässigt werden.

Quelle: Dongguan HX Fiber Technology Co., Ltd.