Mühazirə Məşğələ Laboratoriya 6 7

Mövzu 27
8.8. OPTİK RABİTƏ KABELLƏRİNDƏ İTKİLƏRİ YARADAN AMİLLƏR.

Optik lifin hazırlandığı materialın şəffaflığı elə olmalıdır ki, o 1 mkm diapazonda EMD-nı şüalandırma qabiliyyətinə malik olsun. Bu məqsədlə dalğa uzunluğu mkm intervalında dəyişən işıq şüasının itməsinə səbəb olan fiziki prosesləri araşdırmaq lazımdır.

1980-cı ildə labaratoriya şəraitində itkinin qiyməti dB/km olan muftasız OL alınmışdır. Bu naliyyət işıq şüasının OL-də itməsinə səbəb olan amillərin aşkar edilməsi, bunların aradan qaldırılması üçün metodların işlənib hazırlanması, eləcə də OL-lərin hazırlandığı materialların seçilməsinə qoyulan təlabatların artması və s. kimi tədbirlərin görülməsi hesabına əldə edilmişdir.
OL-də işıq şüasının itməsi bir sıra amillər tərəfindən törənir. Bunlardan ən ziyanlısı işıq şüasının udulma və səpələnməyə görə itməsi hesab edilir. İşıq şüasının udulmaya görə itkisi materialın xassəsi və dalğanın işçi uzunluğu ilə təyin edilir. Bu hadisə materialın elektronlarının həyəcanlanması və onun rezonans halında özünü göstərir. Göstərilən səbəblərin təsiri nəticəsində materialda toplanan istilik enerjisi artır.
OL-də işıq şüasının səpələnməsi onun hazırlandığı materialın xassəsi, əsasən isə OL-in həndəsi qurluşunun pozulması ilə əlaqədardır. İşıq şüası yayılan zaman optik enerjinin bir hissəsi lifi tərk edir. Bu yayılan dalğanın şüalanma prosesi adlanır. Bu zaman lifi tərk edən modu daşıyan enerjinin başqa növ enerjiyə çevirilməsi müşahidə olunur. İşıq şüasının səpələnmə əmsalı aşağıdakı ifadə ilə təyin olunur:
K_R ,
burada C_R-materialın xassəsini göstərən sabit kəmiyyətdir. Kvars üçün C_R=0,6 mkm⁴·dB/km qəbul edilir.
OL-lər yüksək dərəcədə şəffaflığa malik kvars materialından hazırlanır ki, bu da bor, titan, germanium, fosfor kimi elementlərin oksidləri ilə zənginləşdirilir. Nəticədə optik, fiziki və kimyəvi cəhətdən yeni xassəyə malik təmiz şüşə alınır.
İşıq enerjisinin udulma hesabına itməsinə səbəb OL-in hazırlandığı materialda kənar qatışıqların (qələvi qrupların OH, Fe²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, Al³⁺ və s. kimi keçid qrupundakı metalların ionlarının) olmasıdır. Rezonans halında qarışığın ionlarının məxsusi rəqsləri nəticəsində udulma hesabına enerji itkisi həddindən artıq çox qiymət alır. Bundan başqa udulma hesabına enerji itkisini yaradan əsas səbəblərdən biri də materialda elektronların keçid prosesidir. Ultrabənövşəyi oblastda udulma hesabına enerji itkisi elektronların həmin oblastda udulması ilə xarakterizə olunur. Buda uyğun olaraq ultrabənövşəyi udulma zolağı adlanır. İnfraqırmızı oblastda şüşənin tərkibində olan qarışıqların ionlarının rəqsi nəticəsində udulma hesabına enerji itkisi baş verir ki, bu da öz növbəsində infraqırmızı udulma zolağı adlanır. Bunların nəticəsində materialın tərkibində olan metal qarışıqlarda toplanan işıq enerjisi artır.
OL-də işıq şüasının udulmasını və səpələnməsini araşdıran zaman bütün diqqət bu materiallarda baş verən fiziki və optik hadisələrə yönəldilməlidir. OL-ləri hazırlamaq üçün başqa materiallardan da istifadə olunur. Bunlardan bir çoxu testdən keçmişdir və OL-lərin hazırlanmasıması üçün yaralı olduqları təsdiq edilmişdir. Məsələn, OL-i çoxkompanentli şüşə materialından da hesablamaq olar. Belə OL şüşə ilə əhatə olunmuş örtükdən və maye şəkilində olan özəkdən ibarətdir. Maye kimi tərkibində hava köpüyü qalmayan tetraxloretilen məhlulundan istifadə edilir. Eksperiment üsulla müəyyən edilmişdir ki, ərimə temperaturu 1100⁰S-yə yaxın və çox sadə texnologiyaya malik olan natrium və kalsium silikatlarından da şüşə hazırlamaq mümkündür. Bir sıra nəzəri mülahizələrə görə OL-i hazırlamaq üçün qurğuşundan, sulfidlərdən, selenoidlərdən, oksidlərdən və hətta monokristal materiallardan hazırlanmış şüşədən istifadə edilir. Belə OL-lər dalğa uzunluğu uzun dalğalara məxsus olan sahədə işləyə bilər. Şəffaf materiallar sırasına polimerdən hazırlanmış məmulatlarıda daxil etmək lazımdır.
OL-də baş verən enerji itkisi təkcə onun özəyinin materialının keyfiyyətindən asılı deyildir. Bu cəhətdən OL-in örtüyü üçün seçilən materialında böyük əhəmiyyəti vardır. Tam daxili əks olunma zamanı EMD-sı özəklə örtüyn sərhəddindən keçərək örtüyə daxil olur və orada yayılmağa başlayır. Beləliklə, optik gücün yalnız kiçik bir hissəsi örtüyə keçir və orada yaylımağa başlayır. Əgər örtüyün materialı keyfiyyətsizdirsə və ya o böyük udulma xassəsinə malikdirsə, onda bunların toplusu lifdə yaranan itkinin artmasına səbəb olur. Ona görə də minimal itkiyə malik olan OL-ləri hazırlayan zaman, özəyin materialında olduğu kimi örtük üçün seçilən material yüksək dərəcədə keyfiyyətli və qarışıqlardan tamamilə təmizlənmiş olmalıdır. Örtüyə keçmiş işıq enerjisinin, onun uzunluğu boyunca yayılmasının qarşısını almaq lazımdır ki, o fotodetektora daxil olmasın. Beləliklə, o müxtəlif sürətlə yayılan modların yayılma sürətlərinin fərqinin artmasına gətrib çıxarır və nəticədə dispersiyanın qiyməti artmış olur. Bunu iki üsulla aradan qaldırmaq olar:
1)özəyin xarici hissəsi udulmaya görə yaxşı xassəyə malik olan materialdan hazırlanmalıdır ki, səpələnən şüalar orada zəifləsin və özəkdə yayılan işıq seli isə örtük tərəfindən heç bir təsirə məruz qalmasın;
2) örtüyün özünü, yayılma prosesində işığın səpələnən şüalarının udulmasını təmin edə biləcək, sındırma əmsalı çox böyük olan polimer təbəqə ilə mühafizə etmək lazımdır.
İşıq şüasının udulması. Dielektrik materialın dispersiya xassəsi onun elekrton və atomlarının rezonans halından başqa, rezonans tezliyi ətrafındakı nöqtələr çoxluğunda baş verən udulma prosesindən də asılıdır. OL-in hazırlandığı materiallar üçün rezonans halı ultrabənövşəyi oblastda kristal qəfəsin atomlarının elektron qurluşları və infraqırmızı oblastda həmin qəfəsin atomlarının rəqsi ilə əlaqədardır. Göstərilən rezonans halları optik diapazondan çox-çox aralıda yerləşirlər. Lakin onların hesabına yaranan udulma hadisəsi çox güclü olur. Ona görə də itkinin çox az səviyyəsində belə, onların udulma zolağının ucu bu oblastı tutur. Buna misal olaraq, germaniumla qatışdırılmış kvarsdan hazırlanmış OL-də udulma zolağının sərhədlərinin əmələ gətirdikləri itkini göstərmək olar. Ultrabənövşəyi və infraqırmızı udulma zolağının sərhədləri arasındakı pəncərə 1,5mkm olmalıdır. Lakin Reley səpələnməsi hesabına bu qiymət 0,3 mkm-ə qədər azalır. Beləki, Reley səpələnməsinə görə yaranan itkinin qiyməti ultrabənövşəyi oblastda udulma hesabına yaranan itkiyə nisbətən böyükdür.
Dalğa uzunluğunun λ=1,5 mkm ölçüdən artıq olan qiymətlərində infraqırmızı udulma zolağının sərhədində yaranan təsir daha güclü olur. Onların tərəfindən itkinin əmələ gəlməsinə səbəb aşağıda göstərilən tezliklərə uyğun gələn oksidlərin atomlar arası əlaqələrinin (AAƏ) perodik xarakterli rəqslərə malik olmasıdır: Si-O 9,0 mkm; Ge-O 11,0 mkm; P-O 8,0 mkm; B-O 7,3 mkm. Bu cəhətdən Ge-O əlaqəsinin periodik rəqsinə uyğun gələn dalğa uzunluğu müəyyən qədər uzun olan germaniumun qarışıqları ən yaxşı olmalıdır. İnfraqırmızı udulma zolağının sərhəddi P₂O₅ və B₂O₃ oksidlərinin qarışıqlarından istifadə edildikdə, o dalğa uzunluğu xeyli qısa olan tərəfə sürüşür. Dalğa uzunluğu λ=0,85 mkm-ə uyğun gələn itkiyə bu sürüşmə az təsir göstərir. Buna baxmayaraq, uzun dalğaların yayılması üçün tətbiq edilən OL-lərin hazırlanmasından istifadə edilmir. Rezonas halında Si-O üçün dalğa uzunluğunun qiyməti (9,0 mkm) kvarsın dispersiya tənliyində (Selmeyer tənliyi) istifadə olunan qiymətə (9,9 mkm) uyğun gəlmir. Selmeyerin dispersiya tənliyi üç həddən ibarətdir. Bunlardan biri infraqırmızı, ikincisi isə ulutrabənövşəyi oblasta uyğun gəlir. Bu tənlik aşağıdakı kimidir:
OL-lərin hazırlanması üçün istifadə olunan materiallar da udulma zolağının sərhəddi vacib rol oynayır. Lakin bu materialların tərkibi qarışıqların atom və molekulalarından ibarət ola bilər ki, bu da dalğa uzunluqlarının lazımi qiymətlərində udulma yaratmaq üçün şərait yaradır. Müəyyən edilmişdir ki, ən zərərli qarışıqlar su buxarları və birinci qrupa aid edilən metalların (vannadium, xrom, maqnium, dəmir, kobalt və nikel) keçid prosesləridir. Şüşənin tərkibində olan metallar özlərini ion şəkilində göstərir. Elektron qurluşuna görə bunlar geniş zolaqlı udulma yarada bilən dalğa uzunluqları əmələ gətirir ki, onlarında qiymətləri ionların oksidləşmə dərəcəsindən asılıdır. Dalğa uzunluğunun 1mkm qiymətinə uyğun gələn oblastda yuxarıdakı qarışıqların əmələ gətirdikləri udulmanın qiyməti 1 dB/km-dən artıq olmamalıdır. Bu halda qarışıqların konsentrasiyası 10^-9-dan aşağı olmalıdır.
Optik siqnalin ötürürülməsi zamani onun təhrifə uğramasinin səbəbləri. Optik siqnalar əsasən iki səbəbdən təhrifə uğrayır. Traktın tezlik xarakteristikası (TX) bərabər olmadıqda, onun uzunluğu boyunca ötürülən optik siqnalın spektri və müddəti dəyişikliklərə məruz qalır. Səs-küyün olması əlavə olaraq, optik siqnalın formasını qeyri-müntəzəm şəkildə təhrifə uğradır və onların bir-birindən fərqlənməsini pisləşdirir. İnformasiyanın verilməsini həyata keçirən trakt üçün faydalı siqnalın səviyyəsi, orada yaranan maneə siqnalının səviyyəsindən böyük olmalıdır.
Bir qayda olaraq, düzgün seçilmiş işçi tezlik (ƒ₀) sönmə əmsalının (α) minimum və ya ona yaxın qiyməti ətrafında yerləşməlidir. Bu halda işıqötürücünün sönmə əmsalının TX-sı bərabər paylanmış olacaqdır. L uzunluqda OK-in sönmə əmsalı qeyri-bərabər olduqda siqnalın ampilitud tezlik xarakteristikası təhrifə uğrayır. İntensivliyə görə modulyasiya oduaqda mənbənin spektrinin eni (П_М) ötürülən siqnalın spektrinin enindən (П) böyük olur (П_М>П). Beləki, ötürülən məlumatın tezliyinin hər bit harmonikası amplitudaya görə modulyasiya olunur. Bu harmonikalar bir-birindən asılı olmayaraq yayılır və detektora daxil olaraq, orada gücə görə toplanırlar. Sönmənin qeyri-bərabər paylanmasını qiymətləndirmək üçüçn ən pis hal olan α=Kƒ⁴ asıllığından istifadə edilir.
Kanalın burxma qabiliyyətinin məhdudiyətliyi işıqötürücünün faza tezlik xarakteristikasının qeyri-xəttiliyinə görə baş verir. Buda qrup yayılma müddətinin (t_q) qeyri-bərabərliyini təyin etməyə imkan verir. Qrup yayılma müddətinin (t_q) qeyri-bərabər olması materialın və moddaxili dispersiyanın (MD, MDD) hesabına baş verir.