Geometrické a optické vlastnosti optických vlákien
Geometrické vlastnosti
Geometrické charakteristikyoptické vláknaúzko súvisia s výstavbou a nízko{0}}stratovými spojeniami. Tieto geometrické charakteristiky zahŕňajú priemer jadra, rozmery plášťa, sústrednosť vlákien a nekruhovitosť.
(1) Priemer jadra: Priemer jadra je požiadavka na multimódové optické vlákna. ITU-T špecifikuje priemer jadra multimódových optických vlákien ako (50 ± 3) μm.
(2) Vonkajší priemer: Vonkajší priemer optického vlákna sa vzťahuje na priemer holého vlákna. Bez ohľadu na to, či ide o multimódové alebo jednovidové vlákno, ITU-T určuje vonkajší priemer optických vlákien používaných na komunikáciu ako (125 + 3) μm.
(3) Sústrednosť vlákna a mimo-kruhovosť{2}}: Sústrednosť je pomer vzdialenosti medzi stredom jadra a stredom plášťa k priemeru jadra. Mimo-kruhovitosť-zahŕňa mimo-kruhovosť-kruhovosti jadra a plášťa a možno ju vyjadriť nasledujúcim vzorcom:
Vo vzorci Dmaxa Dminsú maximálny a minimálny priemer jadra (plášťa); Dčoje štandardný priemer jadra (plášťa).
ITU-T špecifikuje, že: chyba sústrednosti multimódového vlákna by mala byť menšia ako 6 %; základná nekruhovosť-by mala byť menšia ako 6 % (vrátane jednoduchého-režimu); nekruhovitosť plášťa by mala byť menšia ako 2 %; a chyba sústrednosti jednovidového-vlákna by mala byť 1 μm.
Optické vlastnosti
Optické vlastnosti optických vlákien sú rozhodujúcim faktorom určujúcim ich prenosový výkon.
(1) Distribúcia indexu lomu: Distribúcia indexu lomu multimódových vlákien určuje šírku pásma vlákna a stratu spojenia; distribúcia indexu lomu jednovidových vlákien určuje výber prevádzkovej vlnovej dĺžky. Všeobecný vzorec pre index lomu optických vlákien je:
Vo vzorci je vzdialenosť od osi vlákna; n(0) je index lomu jadra vlákna, keď r=0; g je distribučný index indexu lomu, ktorý má rôzne hodnoty, čo vedie k rôznym rozdeleniam indexu lomu, ako je znázornené na obrázku 2-2; je polomer jadra vlákna (μm); a △je rozdiel relatívneho indexu lomu.
Index lomu jadra: keď r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)g]1/2
Index lomu plášťa: keď r väčší alebo rovný ,n=n(r)=n(0)[1-2△]1/2
(2) Numerická apertúra (NA) optického vlákna úzko súvisí s účinnosťou spojenia svetelného zdroja, citlivosťou na stratu vlákna na mikroohyb a šírkou pásma. Väčšia numerická apertúra uľahčuje spojenie, znižuje citlivosť na mikroohyby a vedie k užšej šírke pásma. Maximálna teoretická numerická apertúra je definovaná takto:
Vo vzorci je n index lomu jednotného jadra vlákna so stupňovitým -indexom (index lomu n(0) stredu jadra vlákna so stupňovitým -indexom); ng je index lomu rovnomerného plášťa.
(3) Priemer poľa módu Priemer poľa módu možno definovať prenosovou funkciou poľa základného módu Ea, to znamená šírkou medzi dvoma bodmi 1/é na krivke vzťahu medzi prenosovou funkciou poľa základného módu Ea a radiálom r je priemer poľa módu.
Odhad priemeru poľa formy: 2S.=2入/(πn√△)
V jednom-vlákne sa namiesto priemeru jadra používa priemer poľa režimu. Dôvodom je to, že vlákna s rovnakým priemerom jadra budú mať rôzne rozloženie poľa módu pri rôznych rozdeleniach indexu lomu a prenosový výkon vlákna závisí od rozloženia poľa módu.
V prípade konštrukcie, ak sa priemer poľa režimu nezhoduje vo vláknovom spojení, veľká odchýlka zvýši stratu spojenia. ITU-T špecifikuje priemer poľa režimu ako (9-10) ± 1 μm.
(4) Medzná vlnová dĺžka (podmienka prenosu v jednom-režime) Medzná vlnová dĺžka je podmienkou pre jedno-režimové vlákno, aby sa zaručil jeden-režim prenosu. Za touto vlnovou dĺžkou sa režim LP druhého-rádu už nešíri. Hraničná vlnová dĺžka sa líši od ostatných parametrov tým, že nie je konštantná, ale mení sa s dĺžkou. To si vyžaduje, aby medzná vlnová dĺžka jednovidového vlákna bola menšia ako prevádzková vlnová dĺžka optického komunikačného systému. V súčasnosti je medzná vlnová dĺžka jednovidového vlákna 1,10 až 1,28 µm, čo je určené rozdielom relatívneho indexu lomu Δ a tvarom prierezu.
Nelineárne efekty optických vlákien
V dnešných vysokokapacitných, vysokokapacitných,{1}}systémoch komunikácie s optickými vláknami s erbiom-dopovaným vláknovým zosilňovačom (DWDM) s hustou vlnovou dĺžkou delenia (DWDM) optické vlákna prenášajú viacero vlnových dĺžok a vysoký výkon. Tento vysoký optický výkon môže spôsobiť rôzne nelineárne efekty v dôsledku interakcie medzi signálom a vláknom. Ak tieto nelineárne efekty nie sú správne potlačené, môžu vážne ovplyvniť výkon systému a obmedziť vzdialenosť regenerovateľného opakovača. Linearita alebo nelinearita sa týka vlastností svetla v prenosovom médiu, nie vlastností svetla samotného. Prítomnosť optického poľa však mení vlastnosti média. Keď je médium vystavené silnému optickému poľu, elektróny v atómoch alebo molekulách, ktoré tvoria médium, sa posúvajú alebo vibrujú, čo spôsobuje polarizáciu. V polarizovanom médiu sa objavujú dipólové vlny a tieto dipóly vyžarujú elektromagnetické vlny rovnakej frekvencie, ktoré sa superponujú na pôvodné dopadajúce pole a stávajú sa celkovým optickým poľom v médiu. To ukazuje, že zmeny vo vlastnostiach média zase ovplyvňujú optické pole.
Nelineárne účinky optických vlákien možno rozdeliť do dvoch kategórií: stimulovaný rozptyl a porucha indexu lomu.
◇Stimulovaný rozptyl sa vyskytuje v modulovaných systémoch, kde optické signály interagujú s akustickými vlnami alebo systémovými vibráciami v optických vláknach; to znamená, že optické pole prenáša určitú energiu do nelineárneho prostredia. Do tejto kategórie patrí stimulovaný Ramanov rozptyl a stimulovaný Brillouinov rozptyl.
Stimulovaný Ramanov rozptyl (SRS) je spôsobený moduláciou (interakciou) molekulárnych vibrácií v médiu na dopadajúce svetlo (nazývané pumpové svetlo), čo vedie k rozptylu dopadajúceho svetla. Nech je frekvencia dopadajúceho svetla a frekvencia molekulárnych vibrácií média ν, potom frekvencie rozptýleného svetla sú ∞=∞∞ a ν=∞, +∞. Tento jav sa nazýva stimulovaný Ramanov rozptyl. Rozptýlené svetlo s frekvenciou ∞ sa nazýva Stokesova vlna; rozptýlené svetlo s frekvenciou ν sa nazýva anti-Stokesova vlna.
◇ Pri nízkej optickej sile zostáva index lomu kremičitého skleneného vlákna konštantný v dôsledku narušenia indexu lomu. Avšak pri použití zosilňovača s predradníkom na získanie vysokého optického výkonu môže zmena intenzity prenášaného signálu vyvolať zmenu indexu lomu vlákna. Tri nelineárne efekty spôsobené poruchou indexu lomu sú samo-fázová modulácia (SPM), krížová-fázová modulácia (CPM) a štvor{4}}vlnové miešanie.
Vlastná{0}}fázová modulácia (SPM) označuje jav, pri ktorom sa počas prenosu mení fáza optického impulzu, čo vedie k rozšíreniu spektra impulzov. SPM úzko súvisí so zameraním na seba-; ak je ťažké, v systémoch s hustou vlnovou delením multiplexovania (DWDM) sa spektrálne rozšírenie môže prekrývať do susedných kanálov.
Mechanické a teplotné vlastnosti optických vlákien
Mechanické vlastnosti optických vlákien
Rozhodujúce sú mechanické vlastnosti optických vlákien. Kremenné optické vlákna používané v komunikácii sú tenké sklenené vlákna s vonkajším priemerom približne 125 μm. Sklo je vysoko tvrdý, -ťažný a krehký materiál. Jeho hranica pevnosti je určená väzbovou silou väzieb Si-O v jeho štruktúre. Teoreticky sa napätie potrebné na prerušenie atómových väzieb Si-O odhaduje na 19600–24500 N/mm², preto optické vlákno s vonkajším priemerom približne 125 μm vydrží pevnosť v ťahu 294 N. Na povrchu alebo vo vnútri skutočných optických vlákien však nevyhnutne existujú trhliny. Keď je vlákno vystavené vonkajšej sile, dokonca aj veľmi malá mikro-trhlina sa môže rozšíriť a rozšíriť, čo spôsobí katastrofické pretrhnutie, čo výrazne zníži pevnosť vlákna (približne 1/4 teoretickej hodnoty). Od vývoja až po rozsiahle{18}}aplikovanie optických vlákien sa preto do prekonania týchto výziev investovalo značné úsilie, zdroje a financie. V súčasnosti oddelenia výskumu, výroby, kabeláže a konštrukcie ďalej skúmajú, ako zlepšiť pevnosť v ťahu a životnosť optických vlákien.
Pevnosť v ťahu komerčne dostupných optických vlákien nesmie byť menšia ako 2,35 N ťahovej sily. V súčasnosti dosahuje pevnosť v ťahu komerčne dostupných optických vlákien 0,5 % deformácie alebo 432 g ťahovej sily. Domáce optické vlákna používané na inžinierske projekty majú vo všeobecnosti pevnosť v ťahu väčšiu ako 400 g ťahovej sily. Kvalitnejšie zahraničné optické vlákna majú pevnosť v ťahu presahujúcu 700 g ťahovej sily a vlákna používané pre podmorské káble vyžadujú ešte vyššiu pevnosť. Tieto požiadavky na pevnosť v ťahu optických vlákien sa dosahujú pomocou metód skríningu počas procesu výroby vlákna.
Životnosť optického vlákna sa bežne označuje ako jeho životnosť. Z hľadiska mechanického výkonu sa životnosť vzťahuje na životnosť zlomu. Pri výrobe a konštrukcii optických vlákien a káblov sa spravidla navrhuje 20-ročná životnosť. Skutočná životnosť optických vlákien však nie je úplne konzistentná v dôsledku vplyvu prevádzkového prostredia (ako je teplota, vlhkosť a statická a dynamická únava). Súčasné odhady naznačujú, že optické vlákna navrhnuté na 20-ročnú životnosť môžu v skutočnosti vydržať 30 až 40 rokov.
Teplotné charakteristiky optických vlákien
Teplotné charakteristiky optického vlákna sa týkajú vplyvu vysokých a nízkych teplôt na stratu vlákna, čo vo všeobecnosti vedie k zvýšeným stratám. Strata vlákien sa zvyšuje za podmienok vysokej aj nízkej teploty, pretože materiály použité na poťahovanie a opláštenie vlákien sú organické živice a plasty, ktoré majú oveľa väčšie koeficienty kontrakcie a rozťažnosti ako kremeň. Preto pri nízkych teplotách vlákno podlieha axiálnej tlakovej sile, ktorá spôsobuje mikro-ohýbanie, zatiaľ čo pri vysokých teplotách je vystavená sile axiálneho predlžovania, vytvára napätie a vedie k zvýšeným stratám. Teplotné charakteristiky optického vlákna ukazujú, že so znižovaním teploty sa zvyšuje aj strata vlákna. Keď teplota klesne na približne -55 stupňov, strata sa dramaticky zvýši a systém sa stane nepoužiteľným. V súčasnosti dosiahli nízkoteplotné{10}}teplotné charakteristiky optických vlákien dobrú úroveň; vo všeobecnosti pri -20 stupňoch je nárast straty menší ako 0,1 dB/km a pre vysokokvalitné vlákna je to menej ako 0,05 dB/km.
Rozhodujúci je výkon optických vlákien pri nízkych-teplotách. V prípade nadzemných optických káblov a vedení v severných oblastiach bude nízka-výkonnosť pri nízkej teplote vážne ovplyvňovať kvalitu komunikácie. Preto je pri výrobe optických vlákien nevyhnutné vybrať vhodné náterové a obkladové materiály a zlepšiť procesy. V inžinierskom dizajne je nevyhnutné vybrať optické vlákna s vynikajúcimi vlastnosťami.
