Характеристики оптических волокон (часть 2)

Геометрические и оптические свойства оптических волокон

Геометрические свойства

Геометрические характеристикиоптические волокнатесно связаны со строительством и соединениями с низкими-потерями. К этим геометрическим характеристикам относятся диаметр сердцевины, размеры оболочки, концентричность волокна и не-круглость.

(1) Диаметр сердцевины: Диаметр сердцевины является обязательным требованием для многомодовых оптических волокон. ITU-T определяет диаметр сердцевины многомодовых оптических волокон как (50 ± 3) мкм.

(2) Внешний диаметр: Внешний диаметр оптического волокна относится к диаметру голого волокна. Независимо от того, является ли это многомодовым или одномодовым-волокном, ITU-T определяет внешний диаметр оптических волокон, используемых для связи, как (125 + 3) мкм.

(3) Концентричность волокна и внешняя-из-круглости: Концентричность — это отношение расстояния между центром сердцевины и центром оболочки к диаметру сердцевины. Внешняя-о-круглость включает внешнюю-о-круглость сердцевины и оболочки и может быть выражена следующей формулой:

В формуле Д_Макси Д_мин– максимальный и минимальный диаметры жилы (оболочки); Д_со– стандартный диаметр жилы (оболочки).

МСЭ-T определяет, что: погрешность концентричности многомодового волокна должна быть менее 6 %; не-круглость ядра должна быть менее 6 % (включая одиночный-режим); не-круглость оболочки должна быть менее 2 %; а погрешность концентричности одномодового волокна должна составлять 1 мкм.

Оптические свойства

Оптические свойства оптических волокон являются решающим фактором, определяющим их характеристики передачи.

(1) Распределение показателя преломления. Распределение показателя преломления многомодовых волокон определяет ширину полосы пропускания волокна и потери соединения; распределение показателя преломления одномодовых волокон определяет выбор рабочей длины волны. Общая формула показателя преломления оптических волокон:

В формуле – расстояние от оси волокна; n(0) — показатель преломления сердцевины волокна при r=0; g — показатель распределения показателя преломления, который имеет разные значения, что приводит к разным распределениям показателя преломления, как показано на рисунке 2-2; – радиус сердцевины волокна (мкм); и △ — относительная разность показателей преломления.

Показатель преломления ядра: когда r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)^g]^1/2
Показатель преломления оболочки: когда r больше или равен ,n=n(r)=n(0)[1-2△]^1/2

(2) Числовая апертура (NA) оптического волокна тесно связана с эффективностью связи источника света, чувствительностью потерь волокна к микроизгибам и полосой пропускания. Большая числовая апертура облегчает соединение, снижает чувствительность к микроизгибам и приводит к более узкой полосе пропускания. Максимальная теоретическая числовая апертура определяется следующим образом:

В формуле n — показатель преломления однородной сердцевины волокна со ступенчатым -показательом (показатель преломления n(0) центра сердцевины волокна с градиентным -показательом); ng — показатель преломления однородной оболочки.

(3) Диаметр модового поля Диаметр модового поля может быть определен с помощью передаточной функции поля основной моды Ea, то есть ширина между двумя точками 1/é на кривой зависимости между передаточной функцией поля основной моды Ea и радиальным r является диаметром поля моды.

Оценка диаметра поля формы: 2S.=2入/(πn√△)

В одномодовом-волокне вместо диаметра сердцевины используется диаметр модового поля. Причина в том, что волокна с одинаковым диаметром сердцевины будут иметь разные распределения поля моды при разных распределениях показателя преломления, а характеристики передачи волокна зависят от распределения поля моды.

С точки зрения конструкции, если диаметр поля моды не соответствует оптическому соединению, большое отклонение приведет к увеличению потерь в соединении. ITU-T определяет диаметр поля моды как (9–10) ± 1 мкм.

(4) Длина волны отсечки (условие одномодовой-передачи) Длина волны отсечки — это условие для одномодового волокна, гарантирующее одномодовую-передачу. За пределами этой длины волны мода LP второго-порядка больше не распространяется. Длина волны отсечки отличается от других параметров тем, что она не постоянна, а меняется с длиной. Для этого требуется, чтобы длина волны отсечки одномодового волокна была меньше рабочей длины волны оптической системы связи. В настоящее время длина волны отсечки одномодового волокна составляет 1,10~1,28 мкм и определяется относительной разностью показателей преломления Δ и формой поперечного-сечения.

Нелинейные эффекты оптических волокон

В современных системах связи с плотным мультиплексированием по длине волны (DWDM) с высокой-емкостной и высокоскоростной-оптической связью с оптоволоконными усилителями,-легированными эрбием, оптические волокна передают несколько длин волн и высокую мощность. Эта высокая оптическая мощность может вызывать различные нелинейные эффекты из-за взаимодействия между сигналом и волокном. Если эти нелинейные эффекты не подавляются должным образом, они могут серьезно повлиять на производительность системы и ограничить расстояние регенерируемого ретранслятора. Линейность или нелинейность относятся к свойствам света в передающей среде, а не к свойствам самого света. Однако наличие оптического поля меняет свойства среды. Когда среда подвергается воздействию сильного оптического поля, электроны внутри атомов или молекул, составляющих среду, смещаются или вибрируют, вызывая поляризацию. Дипольные волны возникают внутри поляризованной среды, и эти диполи излучают электромагнитные волны той же частоты, которые накладываются на исходное падающее поле, образуя полное оптическое поле внутри среды. Это показывает, что изменение свойств среды, в свою очередь, влияет на оптическое поле.

Нелинейные эффекты оптических волокон можно разделить на две категории: вынужденное рассеяние и возмущение показателя преломления.

◇Вынужденное рассеяние происходит в модулированных системах, где оптические сигналы взаимодействуют с акустическими волнами или вибрациями системы в оптических волокнах; то есть оптическое поле передает некоторую энергию нелинейной среде. К этой категории относятся вынужденное комбинационное рассеяние и вынужденное рассеяние Бриллюэна.

Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) вызвано модуляцией (взаимодействием) молекулярных колебаний в среде с падающим светом (так называемым светом накачки), что приводит к рассеянию падающего света. Пусть частота падающего света равна , а частота колебаний молекул среды равна ν, тогда частоты рассеянного света равны ∞=∞∞ и ν=∞, +∞. Это явление называется вынужденным комбинационным рассеянием. Рассеянный свет с частотой ∞ называется волной Стокса; рассеянный свет с частотой ν называется анти-стоксовой волной.

◇При низкой оптической мощности показатель преломления волокна из кварцевого стекла остается постоянным из-за возмущения показателя преломления. Однако при использовании оптоволоконного усилителя с балластом для получения высокой оптической мощности изменение интенсивности передаваемого сигнала может вызвать изменение показателя преломления волокна. Три нелинейных эффекта, вызванных возмущением показателя преломления, — это само-фазовая модуляция (SPM), перекрестная-фазовая модуляция (CPM) и четырех-волновое смешение.

Само-фазовая модуляция (СЗМ) – это явление, при котором фаза оптического импульса изменяется во время передачи, что приводит к расширению спектра импульса. УСВ тесно связан с самофокусировкой-; В тяжелых случаях в системах плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM) расширение спектра может перекрываться на соседние каналы.

Механические и температурные свойства оптических волокон

Механические свойства оптических волокон

Механические свойства оптических волокон имеют решающее значение. Кварцевые оптические волокна, используемые в связи, представляют собой тонкие стеклянные нити с внешним диаметром примерно 125 мкм. Стекло — очень твердый, не-пластичный и хрупкий материал. Предел его прочности определяется силой связи связей Si-O внутри его структуры. Теоретически напряжение, необходимое для разрыва атомных связей Si-O, оценивается в 19600–24500 Н/мм², следовательно, оптическое волокно с внешним диаметром примерно 125 мкм может выдержать прочность на разрыв 294 Н. Однако на поверхности или внутри реальных оптических волокон неизбежно существуют трещины. Когда волокно подвергается воздействию внешней силы, даже очень маленькая микротрещина может расширяться и распространяться, вызывая катастрофический разрыв, что значительно снижает прочность волокна на разрыв (примерно 1/4 от теоретического значения). Таким образом, от разработки до крупномасштабного-применения оптических волокон в преодоление этих проблем были вложены значительные усилия, ресурсы и финансирование. В настоящее время исследовательские, производственные, кабельные и строительные отделы продолжают изучать способы повышения прочности на разрыв и срока службы оптических волокон.

Предел прочности имеющихся в продаже оптических волокон должен составлять не менее 2,35 Н растягивающей силы. В настоящее время предел прочности коммерчески доступных оптических волокон достиг 0,5% деформации, или 432 г растягивающей силы. Оптические волокна, используемые внутри страны для инженерных проектов, обычно имеют предел прочности на разрыв более 400 г. Зарубежные оптические волокна более высокого качества имеют прочность на разрыв, превышающую 700 г, а волокна, используемые для подводных кабелей, требуют еще более высокой прочности. Эти требования к прочности оптических волокон на разрыв достигаются за счет методов экранирования в процессе производства волокна.

Срок службы оптического волокна обычно называют сроком его службы. С точки зрения механических характеристик срок службы относится к сроку службы при разрушении. При производстве и проектировании оптических волокон и кабелей обычно рассчитывается срок службы 20 лет. Однако фактический срок службы оптических волокон не совсем постоянен из-за влияния окружающей среды (например, температуры, влажности, статической и динамической усталости). Текущие оценки показывают, что оптические волокна, рассчитанные на 20-летний срок службы, на самом деле могут прослужить от 30 до 40 лет.

Температурные характеристики оптических волокон

Температурные характеристики оптического волокна относятся к влиянию высоких и низких температур на потери в волокне, что обычно приводит к увеличению потерь. Потери волокна увеличиваются как в условиях высоких, так и в условиях низких температур, поскольку материалы, используемые для покрытия и оболочки волокна, представляют собой органические смолы и пластики, которые имеют гораздо большие коэффициенты сжатия и расширения, чем кварц. Таким образом, при низких температурах волокно испытывает осевую сжимающую силу, вызывающую микро-изгиб, а при высоких температурах — осевое удлинение, создающее напряжение и приводящее к увеличению потерь. Температурные характеристики оптического волокна показывают, что с понижением температуры потери в волокне также увеличиваются. Когда температура падает примерно до -55 градусов, потери резко возрастают, что делает систему непригодной для использования. В настоящее время низкотемпературные характеристики оптических волокон достигли хорошего уровня; Обычно при температуре -20 градусов увеличение потерь составляет менее 0,1 дБ/км, а для высококачественных волокон – менее 0,05 дБ/км.

Характеристики оптических волокон при низких-температурах имеют решающее значение. Для воздушных оптических кабелей и линий в северных регионах плохая работа при низких-температурах серьезно повлияет на качество связи. Поэтому при производстве оптического волокна важно выбирать соответствующие материалы покрытия и оболочки, а также совершенствовать процессы. При инженерном проектировании крайне важно выбирать оптические волокна с отличными характеристиками.