¿Por qué un cable de fibra óptica más largo da como resultado una atenuación más baja?

Acabo de realizar un experimento en mi universidad para estudiar la atenuación del cable de fibra óptica versus la longitud y el tipo de cable.

Este experimento se realizó con una fuente de luz LED y un medidor de potencia conectado en el otro extremo.

La longitud de onda se establece en 1300 nm y los resultados se obtienen de la siguiente manera:

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

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

¿Alguien podría explicarme por qué a medida que el cable se alarga, la potencia recibida aumenta y también por qué el cable de fibra óptica multimodo tiene mayor potencia recibida que el cable monomodo?

Aquí es donde el científico de medición tiene que entrar en modo completamente escéptico e investigativo.

Lo primero. La fibra, como material pasivo, tiene pérdidas. Absorbe el poder. Por lo tanto, la potencia que llega al final de una longitud de fibra será menor que la lanzada. Período. Sin argumentos. No hacemos demasiada unidad aquí.

Entonces, ¿qué causa tus observaciones?

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

¿Qué tan repetibles son sus medidas? Descomponga y reconstruya las conexiones, y vuelva a medir, varias veces (mínimo 3, pero 5 o 10 sería mejor). Solo entonces puede ver si 0.02dBm es un efecto físico significativo o si es una coincidencia afortunada.

Medida 20m y 30m. ¿Es 0dB +/- 0.1dB un nivel de absorción razonable para 10m de fibra? No sé, eso es lo que estás midiendo. Puede estar seguro de que la pérdida de fibra en dB será aditiva para longitudes más largas (para el modo único, si se propagan múltiples modos esto puede no ser cierto para la potencia total, pero sigue siendo cierto para cada modo ), entonces (una vez que está en operación de modo único) debería poder dibujar un gráfico lineal de la longitud de la fibra contra la pérdida de dB. Recuerde, 2 puntos hacen un gráfico estadísticamente pobre.

Y finalmente, usé las frases 'llegando al final' y 'el poder que se lanzó'. El poder en la fibra no es necesariamente el mismo que en el equipo de prueba. Las interfaces crearán incertidumbre, pierden energía. Las pérdidas de potencia dependen de la alineación axial, el espacio, el acabado de la superficie de la superficie de la fibra (entonces, qué tan bien se preparó). Me desconcertaría completamente una medición que muestra que una longitud corta de fibra tuvo una pérdida menor que solo la fuente directamente en el receptor, porque se trata de la eficiencia del acoplamiento óptico.

Además de las mediciones de repetibilidad que le pedí que hiciera anteriormente, no se trata solo de varios ensambles repetidos de los mismos componentes (que mide su variabilidad), sino que también lo hace nuevamente para diferentes muestras de nominalmente los mismos componentes (la variabilidad del sistema y si las herramientas y métodos que se le proporcionan funcionan repetidamente). Por lo tanto, haga 3 o más muestras de fibra de 1 m y compárelas.

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

Nuevamente, caracterice su repetibilidad antes de llegar a conclusiones sobre si una diferencia medida de 0.2dB es significativa.

Las fibras monomodo y multimodo pueden tener diferentes aberturas ópticas, por lo que tienen diferentes pérdidas de acoplamiento, bastante independientes de sus pérdidas de transmisión. Prepare algunas fibras de 'longitud cero', o tan cerca de cero como lo permita el aparato, y mida esas. Y haga parcelas de 10m, 20m, 30m para ambos. Entonces puedes comenzar a decir que hay una diferencia significativa entre ellos.

Multimodo 1m -35.94, 10m -18.48dBm

No. Dadas tus otras medidas anteriores, algo está mal. Has derramado café sobre el aparato, o alguien ajustó algo mientras le dabas la espalda, para reír. Mide de nuevo.

¿Entonces pensaste que hacer mediciones y sacar conclusiones era fácil? No. Pruebe cualquier diferencia que vea contra su repetibilidad experimental. Varíe un factor a la vez. Considere todos los factores posibles y controle todos. Recuerde, si una diferencia es real, persistirá mientras realiza mediciones repetidas. Si solo ves algo una vez, ¿es el efecto, eres tú, es algo en lo que no habías pensado?

Las otras respuestas han sugerido algunas formas en que su experimento podría haber salido mal. Déjame decirte cómo hacer una medición de atenuación de fibra correctamente.

La técnica estándar se llama medición de reducción .

Esto significa que configura su fuente alimentando una pieza larga de fibra (por ejemplo, 10 m). Luego, dirige la salida de esa fibra a un detector de área grande (lo suficientemente grande como para capturar esencialmente toda la luz que sale de la fibra), o hacia una esfera de integración (que es realmente la mejor manera de capturar toda la luz de salida). Mida la salida de luz.

Ahora, sin molestar a cómo la luz se acopla en la fibra, corte la parte posterior de la fibra a una longitud más corta (1 m en su caso). Capture la luz de salida de la misma manera que lo hizo antes y mida la potencia de salida.

La razón para usar esta técnica es que la eficiencia de lanzamiento suele ser muy variable, particularmente en mediciones de mesa. Puede sumar o restar fácilmente 3 o 6 dB (o mucho más, para fibra monomodo) simplemente desalineando la fibra a la fuente de luz en una fracción de grado o unas pocas micras de posición. Esta es probablemente una fuente de error en su experimento, aunque no describió cómo o cuándo desconectó y volvió a conectar la fuente.

Otro problema a tener en cuenta son los modos de revestimiento . Esta es la luz que está acoplada al revestimiento y puede propagarse durante unos pocos metros, pero experimentará una atenuación mayor que la luz en los modos deseados. Para evitar medir los efectos del modo de revestimiento, sería mejor usar longitudes de fibra más largas para su medición. Por ejemplo, comience con 100 m de fibra y recórtela a 90 m para realizar la medición de atenuación.

Editar: un problema más. Si está midiendo longitudes tan cortas, deberá asegurarse de que su fuente de luz sea increíblemente estable. Probablemente primero mida la fuente de luz cada segundo durante unas horas para asegurarse de que su potencia de salida no varíe en más de una pequeña fracción de la atenuación que espera de su fibra.

La respuesta de Neil_UK es bastante acertada, es decir, sus medidas están rotas. :-(

El primer y más obvio problema está en las longitudes elegidas, 1m y 30m: ambos están dentro de los rangos de efectos de borde, es decir, la calidad de las conexiones finales de fibra dominará cualquier pérdida de atenuación real.

En particular, la fibra monomodo de buena calidad a 1300 nm puede acercarse mucho a la pérdida mínima teórica, que es una pequeña fracción de dB por km, así es como los cables transatlánticos pueden funcionar con solo unos pocos amplificadores en el camino.

Si asumimos que la fibra es más barata en el rango de 0.1 a 1 dB / km, la longitud de 30m todavía da una pérdida insignificante. Por favor, intente 1-10 km!

Su medición de modo único, tomada por sí sola, sugeriría que las pérdidas de inserción / acoplamiento dominan y que la diferencia está dentro del margen de error (el cuarto dígito significativo en una medición de dB no es muy significativo). Si alguien hubiera etiquetado incorrectamente una fibra monomodo de 1 m como multimodo, sus resultados serían consistentes dentro de un margen razonable.

El acoplamiento en fibra multimodo suele ser mucho más eficiente: es simplemente un objetivo más grande con más espacio para tener todo ligeramente desalineado y aún así obtener la mayor parte de la luz.

Lo que su experimento le ha enseñado principalmente es que el trabajo con fibra monomodo no es trivial.

¿Qué tipo de fibra estás usando? ¿Modo único o multimodo? Si es multimodo, ¿es 62.5 um o 50um?

Insertar una señal en un cable de tamaño incorrecto sufrirá una pérdida inmediata. Además, ¿qué conectores estás usando para terminar la fibra? ¿El transmisor y el receptor están diseñados para modo único o multimodo?

Normalmente, 850 nm y 1300 nm se utilizan para longitudes de onda multimodo, mientras que las ventanas ópticas de 1310 nm y 1500 nm se utilizan con mayor frecuencia para el modo único.

La mayoría de los receptores ópticos de gama alta con los que he trabajado tienden a tener una sensibilidad de recepción de alrededor de -28, -30 dBm. Sus niveles de recepción medidos parecen ser ruido. ¿Qué muestra su receptor sin nada conectado?

Además, normalmente, los cables de conexión ópticos se colorean de la siguiente manera: Amarillo: modo único a 9um. naranja, multimodo a 50um. Gris, multimodo a 62.5 um.

En otra nota, las pérdidas de fibra en multimodo tienden a estar alrededor de 1.5dB por kilómetro y el modo único a alrededor de 0.15dB por kilómetro. Medir unos pocos metros de fibra no te va a decir mucho.