Geometrijska i optička svojstva optičkih vlakana
Geometrijska svojstva
Geometrijske karakteristikeoptička vlaknasu usko povezani sa konstrukcijom i vezama sa malim-gubicima. Ove geometrijske karakteristike uključuju promjer jezgre, dimenzije obloge, koncentričnost vlakana i ne-kružnost.
(1) Prečnik jezgre: Prečnik jezgra je uslov za višemodna optička vlakna. ITU-T određuje prečnik jezgra višemodnih optičkih vlakana kao (50 ± 3) μm.
(2) Spoljni prečnik: Vanjski prečnik optičkog vlakna odnosi se na prečnik golog vlakna. Bez obzira da li se radi o višemodnom ili jednomodnom-modnom vlaknu, ITU-T specificira vanjski prečnik optičkih vlakana koji se koriste za komunikaciju kao (125 + 3) μm.
(3) Koncentričnost vlakana i izvan-od-kružnost: Koncentričnost je omjer udaljenosti između centra jezgre i centra obloge i prečnika jezgre. Iz-iz-kružnost uključuje-iz-kružnost jezgre i omotača, a može se izraziti sljedećom formulom:
U formuli, Dmaxi Dminsu maksimalni i minimalni prečnici jezgra (oplate); Dcoje standardni prečnik jezgra (oplate).
ITU-T navodi da: greška koncentričnosti višemodnog vlakna treba biti manja od 6%; ne-kružnost jezgra bi trebala biti manja od 6% (uključujući jednostruki-način); ne-kružnost obloge treba biti manja od 2%; a greška koncentričnosti jednomodnog vlakna - bi trebala biti 1 μm.
Optička svojstva
Optička svojstva optičkih vlakana su ključni faktor koji određuje njihov prijenosni učinak.
(1) Distribucija indeksa prelamanja: Raspodjela indeksa prelamanja multimodnih vlakana određuje propusni opseg vlakana i gubitak veze; distribucija indeksa prelamanja jednomodnih vlakana-određuje izbor radne talasne dužine. Opća formula za indeks loma optičkih vlakana je:
U formuli je udaljenost od ose vlakna; n(0) je indeks loma jezgre vlakna kada je r=0; g je indeks distribucije indeksa loma, koji ima različite vrijednosti što rezultira različitim distribucijama indeksa loma, kao što je prikazano na slici 2-2; radijus jezgre vlakna (μm); i △ je relativna razlika indeksa prelamanja.
Indeks prelamanja jezgre: kada je r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)g]1/2
Indeks prelamanja obloge: kada je r veći ili jednak ,n=n(r)=n(0)[1-2△]1/2
(2) Numerička apertura (NA) optičkog vlakna je usko povezana sa efikasnošću spajanja izvora svetlosti, osetljivošću na gubitak vlakana na mikrosavijanje i propusnim opsegom. Veći numerički otvor olakšava spajanje, smanjuje osjetljivost na mikrosavijanje i rezultira užim propusnim opsegom. Maksimalni teoretski numerički otvor je definiran na sljedeći način:
U formuli, n je indeks loma uniformnog jezgra vlakna sa stepenastim-indeksom (indeks prelamanja n(0) centra jezgre vlakna sa stepenastim-indeksom); ng je indeks loma uniformne obloge.
(3) Prečnik polja moda Prečnik polja moda može se definisati prenosnom funkcijom polja osnovnog moda Ea, odnosno širinom između dve tačke 1/é na krivulji odnosa između funkcije prenosa polja Ea osnovnog moda i radijalnog r je prečnik polja moda.
Procjena prečnika polja kalupa:2S.=2入/(πn√△)
U jednom-modnom vlaknu, prečnik polja moda se koristi umjesto prečnika jezgre. Razlog je taj što će vlakna sa istim promjerom jezgre imati različite distribucije polja modova pod različitim distribucijama indeksa prelamanja, a učinak prijenosa vlakna ovisi o distribuciji polja moda.
Za konstrukciju, ako je prečnik polja modusa neusklađen u vezi sa vlaknom, veliko odstupanje će povećati gubitak veze. ITU-T specificira prečnik polja moda kao (9-10) ± 1 μm.
(4) Prekidna talasna dužina (Single-Mode Transmission Conditions) Talasna dužina isključenja je uslov za jedno-modno vlakno da garantuje single-mod prijenosa. Iza ove talasne dužine, LP mod drugog-reda više se ne širi. Granična talasna dužina razlikuje se od ostalih parametara po tome što nije konstantna već se menja sa dužinom. Ovo zahtijeva da granična talasna dužina jednog-modnog vlakna bude manja od radne talasne dužine optičkog komunikacionog sistema. Trenutno, granična talasna dužina single{10}}modnog vlakna je 1,10~1,28µm, određena relativnom razlikom indeksa prelamanja Δ i oblikom poprečnog -presjeka.
Nelinearni efekti optičkih vlakana
U današnjem gustom multipleksiranju talasnih dužina (DWDM) visokog{0}}kapaciteta,-komunikacionih sistema velike brzine sa optičkim vlaknima sa pojačivačima sa erbijem{2}}dopiranim vlaknima, optička vlakna prenose više talasnih dužina i veliku snagu. Ova velika optička snaga može uzrokovati različite nelinearne efekte zbog interakcije između signala i vlakna. Ako ovi nelinearni efekti nisu pravilno potisnuti, oni mogu ozbiljno uticati na performanse sistema i ograničiti regenerabilnu udaljenost repetitora. Linearnost ili nelinearnost se odnosi na svojstva svjetlosti u transmisijskom mediju, a ne na svojstva same svjetlosti. Međutim, prisustvo optičkog polja mijenja svojstva medija. Kada je medij podvrgnut jakom optičkom polju, elektroni unutar atoma ili molekula koji čine medij pomiču se ili vibriraju, uzrokujući polarizaciju. Dipolni valovi se pojavljuju unutar polariziranog medija, a ti dipoli zrače elektromagnetne valove iste frekvencije, koji se superponiraju na izvorno upadno polje, postajući ukupno optičko polje unutar medija. Ovo pokazuje da promjene u svojstvima medija, zauzvrat, utiču na optičko polje.
Nelinearni efekti optičkih vlakana mogu se podijeliti u dvije kategorije: stimulirano raspršenje i perturbacija indeksa prelamanja.
◇ Stimulirano rasejanje se dešava u modulisanim sistemima gde optički signali stupaju u interakciju sa akustičnim talasima ili sistemskim vibracijama u optičkim vlaknima; to jest, optičko polje prenosi neku energiju nelinearnom mediju. U ovu kategoriju spadaju stimulisano Ramanovo rasejanje i stimulisano Brillouinovo rasejanje.
Stimulisano Ramanovo rasejanje (SRS) je uzrokovano modulacijom (interakcija) molekularnih vibracija u medijumu na upadnu svetlost (zvano svetlo pumpe), što dovodi do rasejanja upadne svetlosti. Neka je frekvencija upadne svjetlosti , a frekvencija molekularnih vibracija medija ν, tada su frekvencije raspršene svjetlosti ∞=∞∞ i ν=∞, +∞. Ovaj fenomen se naziva stimulisano Ramanovo rasejanje. Raspršena svjetlost frekvencije ∞ naziva se Stokesov talas; raspršena svjetlost frekvencije ν naziva se anti-Stokesov talas.
◇Pod niskom optičkom snagom, indeks prelamanja silicijum staklenih vlakana ostaje konstantan zbog perturbacije indeksa prelamanja. Međutim, kada se koristi pojačalo s balastnim vlaknima za postizanje visoke optičke snage, promjena intenziteta prenošenog signala može izazvati promjenu indeksa prelamanja vlakana. Tri nelinearna efekta uzrokovana perturbacijom indeksa refrakcije su samo-fazna modulacija (SPM), unakrsna-fazna modulacija (CPM) i miješanje četiri-talasa.
Samo{0}}fazna modulacija (SPM) se odnosi na fenomen gdje se faza optičkog impulsa mijenja tokom prijenosa, što dovodi do širenja spektra impulsa. SPM je usko povezan sa samo-fokusiranjem; ako je ozbiljno, u sistemima multipleksiranja guste talasne dužine (DWDM), širenje spektra se može preklapati u susedne kanale.
Mehanička i temperaturna svojstva optičkih vlakana
Mehanička svojstva optičkih vlakana
Mehanička svojstva optičkih vlakana su presudna. Kvarcna optička vlakna koja se koriste u komunikaciji su tanka staklena vlakna s vanjskim promjerom od približno 125 μm. Staklo je veoma tvrd, ne-duktilni i lomljiv materijal. Njegova granica čvrstoće je određena silom vezivanja Si-O veza unutar njegove strukture. Teoretski, naprezanje potrebno za prekid atomskih veza Si-O procjenjuje se na 19600–24500 N/mm², stoga optičko vlakno sa vanjskim prečnikom od približno 125 μm može izdržati vlačnu čvrstoću od 294 N. Međutim, pukotine neizbježno postoje na površini ili unutar optičkog vlakna. Kada je vlakno podvrgnuto vanjskoj sili, čak i vrlo mala mikro-pukotina može se proširiti i širiti, uzrokujući katastrofalan lom, što značajno smanjuje otpornost vlakna na lomljenje (otprilike 1/4 teorijske vrijednosti). Stoga, od razvoja do -široke primjene optičkih vlakana, značajan trud, resursi i finansijska sredstva su uloženi u prevazilaženje ovih izazova. Trenutno, odjeli za istraživanje, proizvodnju, kabliranje i konstrukciju dalje istražuju kako poboljšati vlačnu čvrstoću i vijek trajanja optičkih vlakana.
Vlačna čvrstoća komercijalno dostupnih optičkih vlakana ne smije biti manja od 2,35 N vlačne sile. Trenutno, vlačna čvrstoća komercijalno dostupnih optičkih vlakana dostigla je 0,5% deformacije, ili 432 g zatezne sile. Domaća optička vlakna za inženjerske projekte općenito imaju vlačnu čvrstoću veću od 400 g vlačne sile. Kvalitetnija strana optička vlakna imaju vlačnu čvrstoću veću od 700 g zatezne sile, a vlakna koja se koriste za podmorske kablove zahtijevaju još veće čvrstoće. Ovi zahtjevi za vlačnu čvrstoću optičkih vlakana postižu se metodama prosijavanja tokom procesa proizvodnje vlakana.
Životni vijek optičkog vlakna se obično naziva njegovim vijekom trajanja. Iz perspektive mehaničkih performansi, vijek trajanja se odnosi na vijek trajanja prijeloma. U proizvodnji i inženjeringu optičkih vlakana i kablova, općenito je predviđen 20-godišnji vijek trajanja. Međutim, stvarni vijek trajanja optičkih vlakana nije u potpunosti konzistentan zbog utjecaja radnog okruženja (kao što su temperatura, vlažnost, statički i dinamički zamor). Trenutne procjene sugeriraju da optička vlakna dizajnirana za 20-godišnji vijek trajanja mogu zapravo trajati 30 do 40 godina.
Temperaturne karakteristike optičkih vlakana
Temperaturne karakteristike optičkih vlakana odnose se na utjecaj visokih i niskih temperatura na gubitak vlakana, što općenito rezultira povećanim gubicima. Gubitak vlakana se povećava i pod visokim i niskim temperaturnim uvjetima jer su materijali koji se koriste za prevlaku i oblogu vlakana organske smole i plastike, koje imaju mnogo veće koeficijente kontrakcije i ekspanzije od kvarca. Stoga, pri niskim temperaturama, vlakno doživljava aksijalnu tlačnu silu, što uzrokuje mikro-savijanje, dok na visokim temperaturama doživljava aksijalnu silu istezanja, stvarajući naprezanje i dovodi do povećanog gubitka. Temperaturne karakteristike optičkih vlakana pokazuju da kako temperatura opada, gubitak vlakana se također povećava. Kada temperatura padne na oko -55 stepeni, gubitak se dramatično povećava, čineći sistem neupotrebljivim. Trenutno su niske{10}karakteristike optičkih vlakana dostigle dobar nivo; generalno, na -20 stepeni, gubitak je manji od 0,1 dB/km, a za visokokvalitetna vlakna manji je od 0,05 dB/km.
Nisko{0}}performanse optičkih vlakana su od ključne važnosti. Za nadzemne optičke kablove i vodove u sjevernim regijama, loše performanse niskih{2}}temperatura će ozbiljno uticati na kvalitet komunikacije. Zbog toga je tokom proizvodnje optičkih vlakana bitno odabrati odgovarajuće materijale za oblaganje i oblaganje i poboljšati procese. U inženjerskom dizajnu imperativ je odabrati optička vlakna odličnih karakteristika.
