Por que um cabo de fibra óptica mais longo resulta em menor atenuação?

Acabei de realizar um experimento na minha faculdade para estudar a atenuação do cabo de fibra ótica versus o comprimento e o tipo de cabo.

Esta experiência foi realizada com uma fonte de luz LED e um medidor de energia conectado na outra extremidade.

O comprimento de onda é definido como 1300nm e os resultados obtidos da seguinte maneira:

Single Mode (1meter) = -36.14 dBm
Single Mode (10meter) = -36.12dBm

Multimode (1meter) = -35.94dBm
Multimode (10meter) = -18.48dBm

Qualquer um poderia me explicar por que, à medida que o cabo fica mais comprido, a potência recebida aumenta e também por que o cabo de fibra óptica multimodo tem maior potência recebida do que o cabo de modo único?

É aqui que o cientista de medição deve entrar em modo cético e investigativo.

Primeira coisa. A fibra, como material passivo, é com perdas. Absorve energia. Portanto, a energia que chega ao final de um comprimento de fibra será menor do que foi lançada. Período. Sem argumentos. Não fazemos super-unidade aqui.

Então, o que causa suas observações?

Modo único, 1m -36.14dBm, 10m -36.12dBm

Quão repetíveis são suas medidas? Quebre e reconstrua as conexões e meça novamente várias vezes (min 3, mas 5 ou 10 seria melhor). Só então você poderá ver se 0,02dBm é um efeito físico significativo ou se é uma coincidência de sorte.

Meça 20m e 30m. 0dB +/- 0.1dB é um nível de absorção razoável para 10m de fibra? Não sei, é isso que você está medindo. Você pode ter certeza de que a perda de fibra em dB será aditiva por comprimentos mais longos (no modo único, se houver vários modos de propagação, isso pode não ser verdadeiro para a potência total, mas ainda é verdadeiro para cada modo ), então (quando você na operação de modo único), você poderá desenhar um gráfico linear do comprimento da fibra contra a perda de dB. Lembre-se, 2 pontos formam um gráfico estatisticamente ruim.

E, finalmente, usei as frases 'chegando ao final' e 'o poder que foi lançado'. O poder na fibra não é necessariamente o mesmo que no equipamento de teste. As interfaces criarão incerteza, elas perderão energia. As perdas de potência dependem do alinhamento axial, da folga, do acabamento da superfície da fibra (e quão bem foi preparado). Eu ficaria completamente imperturbável com uma medição mostrando que um pequeno comprimento de fibra teve uma perda menor do que apenas a fonte diretamente no receptor, porque se trata da eficiência do acoplamento óptico.

Além das medidas de repetibilidade que pedi para você fazer acima, não se trata apenas de várias montagens repetidas dos mesmos componentes (que estão medindo sua variabilidade), mas também de fazê-lo novamente para amostras diferentes dos mesmos componentes nominalmente (a variabilidade do sistema e se as ferramentas e métodos fornecidos com você funcionam repetidamente). Então faça 3 ou mais amostras de fibra de 1m e compare-as.

Modo único 1m 36.14dBm, multimodo 1m 35.94dBm

Novamente, caracterize sua repetibilidade, antes de tirar qualquer conclusão sobre se uma diferença medida de 0,2 dB é significativa.

As fibras monomodo e multimodo podem ter aberturas ópticas diferentes, portanto, têm diferentes perdas de acoplamento, independentemente das perdas de transmissão. Prepare algumas fibras de 'comprimento zero' ou o mais próximo possível de zero, conforme o aparelho permitir, e meça-as. E faça plotagens de 10m, 20m, 30m para ambos. Então você pode começar a dizer que há uma diferença significativa entre eles.

Multimodo 1m -35.94, 10m -18.48dBm

Não. Dadas as outras medidas acima, algo está errado. Você derramou café no aparelho ou alguém ajustou algo enquanto estava de costas, para rir. Meça novamente.

Então você pensou que fazer medições e tirar conclusões era fácil? Não. Teste qualquer diferença que encontrar em relação à repetibilidade experimental. Varie um fator de cada vez. Considere todos os fatores possíveis e controle para todos eles. Lembre-se, se uma diferença for real, ela persistirá ao fazer medições repetidas. Se você apenas vê algo uma vez, é o efeito, é você, é algo em que não tinha pensado?

As outras respostas sugeriram algumas maneiras pelas quais seu experimento pode ter dado errado. Deixe-me dizer-lhe como fazer uma medição de atenuação de fibra corretamente.

A técnica padrão é chamada de medida de redução .

Isso significa que você configurou sua fonte alimentando um longo pedaço de fibra (por exemplo, 10 m). Em seguida, você direciona a saída dessa fibra para um detector de área grande (grande o suficiente para capturar essencialmente toda a luz que sai da fibra) ou para uma esfera de integração (que é realmente a melhor maneira de capturar toda a luz de saída). Meça a saída de luz.

Agora, sem perturbar a forma como a luz é acoplado em que a fibra, corte a parte de trás de fibra para um comprimento mais curto (1 m no seu caso). Capture a luz de saída da mesma maneira que antes e meça a potência de saída.

O motivo para usar essa técnica é que a eficiência do lançamento geralmente é altamente variável, principalmente nas medições de bancada. Você pode adicionar ou subtrair facilmente 3 ou 6 dB (ou muito mais, para fibra monomodo) apenas desalinhando a fibra da fonte de luz por uma fração de grau ou alguns mícrons de posição. Essa é provavelmente uma fonte de erro em sua experiência, embora você não tenha descrito como ou quando desconectou e reconectou a fonte.

Outra questão a observar é os modos de revestimento . Essa luz é acoplada ao revestimento e pode se propagar por alguns metros, mas experimentará uma atenuação mais alta que a luz nos modos desejados. Para evitar medir os efeitos do modo de revestimento, seria melhor usar comprimentos de fibra mais longos para sua medição. Por exemplo, comece com 100 m de fibra e reduza para 90 m para fazer a medição de atenuação.

Edit: Mais um problema. Se você estiver medindo comprimentos tão curtos, precisará garantir que sua fonte de luz seja incrivelmente estável. Provavelmente, primeiro meça a fonte de luz a cada segundo por algumas horas para garantir que sua potência de saída não varie mais do que uma pequena fração da atenuação que você espera da sua fibra.

A resposta de Neil_UK é praticamente exata , ou seja, suas medidas estão quebradas. :-(

O primeiro e mais óbvio problema está nos comprimentos escolhidos, 1m e 30m: ambos estão dentro dos limites de efeito de borda, ou seja, a qualidade das conexões finais da fibra dominará qualquer perda real de atenuação.

Em particular, a fibra monomodo de boa qualidade a 1300 nm pode chegar muito perto da perda mínima teórica, que é uma pequena fração de dB por km, é assim que os cabos transatlânticos podem trabalhar com apenas alguns amplificadores ao longo do caminho.

Se assumirmos fibras mais baratas na faixa de 0,1 a 1 dB / km, o comprimento de 30m ainda gera perdas insignificantes. Por favor, tente 1-10 km!

Sua medição em modo único, por si só, sugere que as perdas de inserção / acoplamento dominam e que a diferença está dentro da margem de erro (o quarto dígito significativo em uma medição em dB não é muito significativo). Se alguém tivesse rotulado incorretamente uma fibra monomodo de 1m como multimodo, todos os seus resultados seriam consistentes dentro de uma margem razoável.

O acoplamento em fibra multimodo geralmente é muito mais eficiente - é simplesmente um alvo maior com mais espaço para deixar tudo ligeiramente desalinhado e ainda assim receber a maior parte da luz.

O que sua experiência ensinou principalmente a você é que o trabalho com fibra monomodo não é trivial.

Que tipo de fibra você está usando? Modo único ou multimodo? Se multimodo, é 62,5 um ou 50um?

A inserção de um sinal em um cabo de tamanho incorreto sofrerá uma perda imediata. Além disso, quais conectores você está usando para finalizar a fibra? O transmissor e o receptor foram projetados para modo único ou multimodo?

Normalmente, 850nm e 1300nm são usados ​​para comprimentos de onda multimodo, enquanto as janelas ópticas de 1310nm e 1500nm são usadas com mais frequência no modo único.

A maioria dos receptores ópticos de ponta com os quais trabalhei tendem a ter uma sensibilidade de recepção de cerca de -28, -30 dBm. Seus níveis de recebimento medidos parecem ser ruído. O que o seu receptor mostra sem nada conectado?

Além disso, normalmente, os cabos de manobra ópticos são coloridos da seguinte maneira: Amarelo - Modo único às 9 da manhã. laranja, modo múltiplo a 50um. Cinza, multimodo a 62,5 um.

Por outro lado, as perdas de fibra no modo multimodo tendem a ser em torno de 1,5dB por quilômetro e o modo único em cerca de 0,15dB por quilômetro. Medir alguns metros de fibra não vai lhe dizer muito.