Характеристики оптичних волокон (частина 2)

Геометричні та оптичні властивості світловодів

Геометричні властивості

Геометричні характеристикиоптичні волокнатісно пов’язані з конструкцією та з’єднаннями з низькими{0}}втратами. Ці геометричні характеристики включають діаметр сердечника, розміри оболонки, концентричність волокна та не-круглість.

(1) Діаметр сердечника: діаметр сердечника є вимогою для багатомодових оптичних волокон. ITU-T визначає діаметр серцевини багатомодового оптичного волокна як (50 ± 3) мкм.

(2) Зовнішній діаметр: зовнішній діаметр оптичного волокна відноситься до діаметра оголеного волокна. Незалежно від того, багатомодове чи одномодове-волокно, ITU-T визначає зовнішній діаметр оптичних волокон, які використовуються для зв’язку, як (125 + 3) мкм.

(3) Концентричність волокна та поза--круглістю: концентричність — це відношення відстані між центром сердечника та центром оболонки до діаметра сердечника. Поза{4}}-окружність включає поза{6}}о-округлість серцевини та оболонки, і її можна виразити такою формулою:

У формулі Д_максі Д_хв– максимальний і мінімальний діаметри сердечника (оболонки); Д_{співробітництво}– стандартний діаметр сердечника (оболонки).

ITU-T визначає, що: похибка концентричності багатомодового волокна має бути менше 6%; основна не-круговість має бути менше 6% (включаючи один-режим); не-круглість облицювання має бути менше 2%; а похибка концентричності одномодового-волокна має становити 1 мкм.

Оптичні властивості

Оптичні властивості оптичних волокон є вирішальним фактором, що визначає їх ефективність передачі.

(1) Розподіл показника заломлення: розподіл показника заломлення багатомодового волокна визначає пропускну здатність волокна та втрати з’єднання; розподіл показника заломлення одномодових-волокон визначає вибір робочої довжини хвилі. Загальна формула для показника заломлення оптичних волокон така:

У формулі — відстань від осі волокна; n(0) – показник заломлення серцевини волокна при r=0; g — індекс розподілу показника заломлення, який має різні значення, що призводить до різного розподілу показника заломлення, як показано на малюнку 2-2; – радіус серцевини волокна (мкм); △ – відносна різниця показників заломлення.

Показник заломлення ядра: коли r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)^g]^1/2
Показник заломлення оболонки: коли r більше або дорівнює ,n=n(r)=n(0)[1-2△]^1/2

(2) Числова апертура (NA) оптичного волокна тісно пов’язана з ефективністю зв’язку джерела світла, чутливістю до втрат волокна до мікрозгинання та пропускною здатністю. Більша числова апертура полегшує з’єднання, зменшує чутливість до мікровигинів і призводить до меншої смуги пропускання. Максимальна теоретична числова апертура визначається таким чином:

У формулі n — показник заломлення однорідної серцевини волокна зі ступінчастим-індексом (показник заломлення n(0) центру серцевини волокна з градуйованим-індексом); ng – показник заломлення однорідної оболонки.

(3) Діаметр поля моди Діаметр поля моди можна визначити за допомогою передатної функції поля основної моди Ea, тобто ширина між двома точками 1/é на кривій залежності між функцією передачі поля основної моди Ea та радіальним r є діаметром поля моди.

Оцінка діаметра поля форми: 2S.=2入/(πn√△)

В одномодовому-волокні діаметр поля моди використовується замість діаметра серцевини. Причина полягає в тому, що волокна з однаковим діаметром серцевини матимуть різні розподіли поля моди за різних розподілів показника заломлення, а продуктивність передачі волокна залежить від розподілу поля моди.

Для будівництва, якщо діаметр поля моди не відповідає волокну, велике відхилення збільшить втрати з’єднання. ITU-T визначає діаметр поля моди як (9-10) ± 1 мкм.

(4) Довжина хвилі зрізу (умова одномодової-передачі) Довжина хвилі зрізу є умовою для одномодового-волокна для гарантування одномодової-передачі. За межі цієї довжини хвилі мода LP другого-порядку більше не поширюється. Гранична довжина хвилі відрізняється від інших параметрів тим, що вона не є постійною, а змінюється з довжиною. Це вимагає, щоб гранична довжина хвилі одномодового-волокна була меншою за робочу довжину хвилі оптичної системи зв’язку. Наразі гранична довжина хвилі одномодового-волокна становить 1,10~1,28 мкм, що визначається відносною різницею показників заломлення Δ та формою поперечного-перерізу.

Нелінійні ефекти оптичних волокон

У сучасних волоконно-оптичних системах зв’язку з високою-пропускною здатністю та високошвидкісним волоконно-оптичним мультиплексуванням (DWDM) із волоконними підсилювачами, легованими-ербієм, оптичні волокна передають різні довжини хвилі та високу потужність. Така висока оптична потужність може викликати різні нелінійні ефекти через взаємодію між сигналом і волокном. Якщо ці нелінійні ефекти не придушені належним чином, вони можуть серйозно вплинути на продуктивність системи та обмежити відстань регенерованого ретранслятора. Лінійність або нелінійність стосується властивостей світла в середовищі передачі, а не властивостей самого світла. Однак наявність оптичного поля змінює властивості середовища. Коли середовище піддається сильному оптичному полю, електрони всередині атомів або молекул, які утворюють середовище, зміщуються або вібрують, викликаючи поляризацію. У поляризованому середовищі з’являються дипольні хвилі, і ці диполі випромінюють електромагнітні хвилі однакової частоти, які накладаються на початкове падаюче поле, перетворюючись на загальне оптичне поле в середовищі. Це демонструє, що зміни властивостей середовища, у свою чергу, впливають на оптичне поле.

Нелінійні ефекти оптичних волокон можна розділити на дві категорії: вимушене розсіювання та збурення показника заломлення.

◇Стимульоване розсіювання відбувається в модульованих системах, де оптичні сигнали взаємодіють з акустичними хвилями або системними коливаннями в оптичних волокнах; тобто оптичне поле передає деяку енергію нелінійному середовищу. До цієї категорії належать вимушене комбінаційне розсіяння і вимушене розсіювання Бріллюена.

Вимушене комбінаційне розсіювання (SRS) спричинене модуляцією (взаємодією) молекулярних коливань у середовищі на падаючому світлі (званому світлом накачки), що призводить до розсіювання падаючого світла. Нехай частота падаючого світла дорівнює , а частота молекулярних коливань середовища дорівнює ν, тоді частоти розсіяного світла дорівнюють ∞=∞∞ і ν=∞, +∞. Це явище називається вимушеним комбінаційним розсіюванням. Розсіяне світло з частотою ∞ називається хвилею Стокса; розсіяне світло з частотою ν називається анти-стоксовою хвилею.

◇За низької оптичної потужності показник заломлення волокна з кремнеземного скла залишається постійним через збурення показника заломлення. Однак при використанні баластного волоконного підсилювача для отримання високої оптичної потужності зміна інтенсивності переданого сигналу може спричинити зміну показника заломлення волокна. Три нелінійні ефекти, викликані збуренням показника заломлення, це само-фазова модуляція (SPM), перехресна-фазова модуляція (CPM) і чотири-змішування хвиль.

Само{0}}фазова модуляція (SPM) стосується явища, коли фаза оптичного імпульсу змінюється під час передачі, що призводить до розширення спектру імпульсу. SPM тісно пов’язаний із-самофокусуванням; якщо це серйозно, у системах щільного мультиплексування за довжиною хвилі (DWDM) спектральне розширення може перекриватися на суміжні канали.

Механічні та температурні властивості оптичних волокон

Механічні властивості оптичних волокон

Механічні властивості оптичних волокон мають вирішальне значення. Кварцові оптичні волокна, які використовуються у зв'язку, являють собою тонкі скляні нитки із зовнішнім діаметром приблизно 125 мкм. Скло — дуже твердий, не-пластичний і крихкий матеріал. Його межа міцності визначається силою зв’язків Si-O у його структурі. Теоретично напруга, необхідна для розриву атомних зв’язків Si-O, оцінюється в 19600–24500 Н/мм², тому оптичне волокно із зовнішнім діаметром приблизно 125 мкм може витримати міцність на розрив 294 Н. Однак на поверхні або всередині справжніх оптичних волокон неминуче виникають тріщини. Коли на волокно діє зовнішня сила, навіть дуже маленька мікро-тріщина може розширюватися та поширюватися, спричиняючи катастрофічний розрив, що значно знижує міцність волокна на розрив (приблизно 1/4 від теоретичного значення). Тому від розробки до широкомасштабного -застосування оптичних волокон значні зусилля, ресурси та фінансування були вкладені в подолання цих проблем. Наразі дослідницькі, виробничі, кабельні та будівельні відділи продовжують досліджувати, як покращити міцність на розрив і термін служби оптичних волокон.

Міцність на розрив наявних у продажу оптичних волокон має бути не менше 2,35 Н сили розтягування. В даний час міцність на розрив комерційно доступних оптичних волокон досягла 0,5% деформації, або 432 г сили розтягування. Оптичні волокна, що використовуються в інженерних проектах, як правило, мають міцність на розтяг понад 400 г сили розтягування. Іноземні оптичні волокна кращої якості мають міцність на розрив понад 700 г, а волокна, які використовуються для підводних кабелів, вимагають ще більшої міцності. Ці вимоги до міцності на розрив оптичних волокон досягаються за допомогою методів екранування в процесі виробництва волокна.

Термін служби оптичного волокна зазвичай називають терміном служби. З точки зору механічних характеристик, термін служби відноситься до терміну служби при руйнуванні. У виробництві та розробці оптичних волокон і кабелів зазвичай розрахований термін служби 20 років. Однак фактичний термін служби оптичних волокон не зовсім постійний через вплив робочого середовища (такого як температура, вологість, статична та динамічна втома). Поточні оцінки показують, що оптичні волокна, розраховані на 20-річний термін служби, насправді можуть прослужити від 30 до 40 років.

Температурні характеристики оптичних волокон

Температурні характеристики оптичного волокна відносяться до впливу високих і низьких температур на втрати волокна, що зазвичай призводить до збільшення втрат. Втрата волокон збільшується як за високих, так і за низьких температур, оскільки матеріали, що використовуються для покриття та оболонки волокон, є органічними смолами та пластмасами, які мають набагато більший коефіцієнт стиснення та розширення, ніж кварц. Таким чином, за низьких температур волокно відчуває силу осьового стиснення, що спричиняє мікро-вигин, тоді як за високих температур воно відчуває силу осьового подовження, що створює напругу та призводить до збільшення втрат. Температурні характеристики оптичного волокна показують, що зі зниженням температури втрати волокна також збільшуються. Коли температура падає приблизно до -55 градусів, втрати різко зростають, що робить систему непридатною для використання. Нині-низькотемпературні характеристики оптичних волокон досягли хорошого рівня; зазвичай при -20 градусах збільшення втрат становить менше 0,1 дБ/км, а для високоякісних волокон воно становить менше 0,05 дБ/км.

Низькотемпературні характеристики оптичних волокон мають вирішальне значення. Для повітряних оптичних кабелів і ліній у північних регіонах низька -температурна продуктивність серйозно вплине на якість зв’язку. Тому під час виробництва оптичного волокна важливо вибрати відповідні матеріали для покриття та оболонки та вдосконалити процеси. У інженерному проектуванні вкрай важливо вибирати оптичні волокна з відмінними характеристиками.