3.2.1 Valguskiu ehitus ja tüübid.

Tavaline valguskiud on kahekihiline ja koosneb erinevate optiliste murdumisnäitajatega (vastavalt n₁ ja n₂) soonest ja kattest.

Joonis 3.2.1 Valguskiu ehitus

Telekommunikatsioonis kasutatavad valguskiud valmistatakse suures enamuses kahesugustena:

• soone läbimõõduga 50 μm või 62,5 μm ja katte välisläbimõõduga 125 μm;
• soone läbimõõduga 8 μm kuni 9 μm ja katte välisläbimõõduga 125 μm.

Ümbrise välisläbimõõt on mõlemal juhul 250 μm.

Suurema soone läbimõõduga valmistatakse plastikust valgusjuhte, mida kasutatakse lühikeste vahemaade korral juhtimis- ja automaatikaseadmetes (ka helisüsteemides).

                                Joonis 3.2.2 Valguskiudude enamlevinud mõõtmed (mõõdud μm)

Levinumad on kahte tüüpi valgusjuhid:

- astmelised, milles soone murdumisnäitaja on kogu ristlõike ulatuses ühtlane (n₁) ja muutub astmeliselt üleminekul kattele (n₂)

- gradientsed, milles soone murdumisnäitaja on suurim soone teljel ja väheneb sujuvalt soone teljest kaugenemisel.

Astmelised valgusjuhid jagunevad omakorda kaheks:

- ühemoodilised on valgusjuhid mille soone läbimõõt on samas suurusjärgus edastatava valguse lainepikkusega

- mitmemoodilised on valgusjuhid mille soone läbimõõt on edastatava valguse lainepikkusest suurem

Joonis 3.2.3 Signaalide levimine erinevates valgusjuhtides

Valgusjuhti iseloomustatakse kahe põhiparameetri kaudu:

• sumbuvus, mis määrab ära liini võimenduspunktide vahelise kauguse;
• hajuvus ehk dispersioon, mis põhjustab signaalide moonutusi liinil ja piirab ülekantava sagedusriba laiust.

3.2.2 Sumbuvus valgusjuhis

Valguskaabli põhielemendi, valgusjuhi sumbuvus, mida iseloomustab sumbuvustegur α, moodustub:

• sisemistest kadudest valgusjuhis α_s;
• täiendavatest kadudest, nn kaablikadudest α_k, mida põhjustavad valgusjuhis deformatsioonide ja painutuste mõjul tekkivad mikropraod.

Joonis 3.2.4 Sumbuvuse tekkepõhjused

 

Sumbuvuse erinevate tekkepõhjuste tõttu on erinev ka sumbuvuse erinevate komponentide sõltuvus sagedusest.

Joonis 3.2.5 Sumbuvuse komponentide sagedussõltuvus

Joonisel on tähistatud neeldumiskaod tähisega α_n ja need suurenevad sageduse suurenedes lineaarselt. Tähisega α_h märgitud hajumiskaod suurenevad märgatavalt kiiremini, võrdeliselt sageduse neljanda astmega (f⁴).

Energiakaod suurenevad oluliselt kui valgusjuhi materjal ei ole puhas vaid sisaldab lisandeid. Ioonide resonantsi alades on ka sumbuvus märgatavalt suurem.

 Joonis 3.2.6 Sumbuvus erinevatel lainepikkustel

 

3.2.3 Hajuvus (dispersioon) valgusjuhis

Optilise sidesüsteemi üheks tähtsamaks parameetriks on selle ribalaius ΔF, mis määrab ära süsteemi läbilaskevõime. Piiravaks teguriks on asjaolu, et valgusjuhi väljundile jõuab signaal moonutatuna ja mida pikem on liin, seda suuremad on ka moonutused. Eelkirjeldatud nähtust nimetatakse hajuvuseks ehk dispersiooniks ja seda põhjustab valgusallika spektri erinevate sagedustega komponentide erinev liikumiskiirus valgusjuhis. Hajuvus τ on impulsi kestuse suurenemine impulsi läbiminekul optilisest kaablist.

Joonis 3.2.7 Hajuvus valgusjuhis

Hajuvuse suurus määratakse ruutjuurena sisend- ja väljundimpulsside ruutude vahest

τ = √‾(t²_välj - t²_sis). Impulsside pikkused t_sis ja t_välj määratakse impulsi poole kõrguse peal

(1/2 amplituudist). Hajuvuse ja valgusjuhi ribalaiuse vahel on ligikaudne seos ΔF = 1/ τ. Näiteks

τ = 20 ns/km korral on ΔF = 50 MHz x km.

Valgusjuhi läbilaskevõime oleneb valgusjuhi tüübist ja omadustest ning valgusallikast. Hajuvuse põhjuseid on kaks:

• kiirgusallika lainepikkuse ebastabiilsus (koherentsus) Δλ;
• moodide N suur arv.

Kiirgusallika lainepikkuse ebastabiilsus (koherentsus) Δλ tuleneb sellest, et:

• levimistegur γ oleneb lainepikkusest γ = f₁(λ);
• murdumisnäitaja n oleneb lainepikkusest n = f₂(λ).

Moodide suur arv mõjutab hajuvust seetõttu, et valguskiired erinevates moodides läbivad erinevad teepikkused.

Erinevat tüüpi valgusjuhtides on erinevad ka hajuvuse põhjused.

Astmelistes mitmemoodilistes valgusjuhtides on valdavaks moodide arvust tulenev hajuvus, mis on suurusjärgus 20 ns/km kuni 50 ns/km.

Astmelistes ühemoodilistes valgusjuhtides on moodide arvust tulenev hajuvus minimaalne ja valdavalt tuleb esile kiirgusallika lainepikkuse ebastabiilsusest tingitud hajuvus. Ühemoodiliste valgusjuhtide hajuvus on lainepikkusel 1,2 mm kuni 1,7 mm kuni 3 ns/km.

Gradientsetes valgusjuhtides erinevates moodides liikuvate valguskiirte levimisaeg ühtlustub seetõttu, et pikema tee läbivad valguskiired liiguvad kiiremini kuna läbivad väiksema tihedusega keskkonna. Selliste valgusjuhtide hajuvus on vahemikus 3 ns/km kuni 5 ns/km.

Hajuvuse seisukohalt on parimate omadustega ühemoodilised astmelised valgusjuhid. Suhteliselt väikese hajuvusega on ka gradientsed valgusjuhid. Suurim on hajuvus mitmemoodilistes astmelistes valgusjuhtides.