Optinių skaidulų charakteristikos (2 dalis)

Optinių skaidulų geometrinės ir optinės savybės

Geometrinės savybės

Geometrinės charakteristikosoptinių skaidulųyra glaudžiai susiję su statyba ir mažais{0}}nuostoliais ryšiais. Šios geometrinės charakteristikos apima šerdies skersmenį, apvalkalo matmenis, pluošto koncentriškumą ir ne-apvalumą.

(1) Šerdies skersmuo: daugiamodėms optinėms skaiduloms būtinas šerdies skersmuo. ITU-T nurodo daugiamodių optinių skaidulų šerdies skersmenį kaip (50 ± 3) μm.

(2) Išorinis skersmuo: išorinis optinio pluošto skersmuo reiškia pliko pluošto skersmenį. Nepriklausomai nuo to, ar tai daugiamodis, ar vienmodė -modė, ITU-T nurodo išorinį ryšiui naudojamų optinių skaidulų skersmenį kaip (125 + 3) μm.

(3) Pluošto koncentriškumas ir išorinis -apskritimas: koncentriškumas yra atstumo tarp šerdies centro ir apvalkalo centro santykis su šerdies skersmeniu. Ne-apskritimas- apima šerdies-neapvalumą- ir apvalkalą ir gali būti išreikštas šia formule:

Formulėje D_maksir D_minyra didžiausias ir mažiausias šerdies (apdangalo) skersmuo; D_coyra standartinis šerdies skersmuo (apmušalas).

ITU{0}}T nurodo, kad: daugiamodės skaidulos koncentriškumo paklaida turi būti mažesnė nei 6 %; pagrindinis ne-apvalumas turi būti mažesnis nei 6 % (įskaitant vien-režimą); apvalkalo ne{5}}apvalumas turi būti mažesnis nei 2 %; o vienmodės skaidulos-koncentriškumo paklaida turėtų būti 1 μm.

Optinės savybės

Optinių skaidulų optinės savybės yra esminis veiksnys, lemiantis jų perdavimo efektyvumą.

(1) Lūžio rodiklio pasiskirstymas: daugiamodių skaidulų lūžio rodiklio pasiskirstymas lemia pluošto pralaidumą ir ryšio praradimą; vienmodžių skaidulų lūžio rodiklio pasiskirstymas lemia veikimo bangos ilgio pasirinkimą. Bendra optinių skaidulų lūžio rodiklio formulė yra tokia:

Formulėje yra atstumas nuo pluošto ašies; n(0) yra pluošto šerdies lūžio rodiklis, kai r=0; g yra lūžio rodiklio pasiskirstymo indeksas, kurio reikšmės skiriasi, todėl skiriasi lūžio rodiklio pasiskirstymas, kaip parodyta 2-2 paveiksle; yra pluošto šerdies spindulys (μm); ir △ yra santykinis lūžio rodiklio skirtumas.

Šerdies lūžio rodiklis: kai r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)^g]^1/2
Apdangalo lūžio rodiklis: kai r didesnis arba lygus ,n=n(r)=n(0)[1-2△]^1/2

(2) Optinio pluošto skaitmeninė diafragma (NA) yra glaudžiai susijusi su šviesos šaltinio sujungimo efektyvumu, skaidulų praradimo jautrumu mikrolenkimui ir pralaidumu. Didesnė skaitmeninė diafragma palengvina sujungimą, sumažina mikrolenkimo jautrumą ir sumažina pralaidumą. Didžiausia teorinė skaitmeninė diafragma apibrėžiama taip:

Formulėje n yra laipsniško -indekso pluošto vienodos šerdies lūžio rodiklis (graduoto -indekso pluošto šerdies centro lūžio rodiklis n(0); ng yra vienodo apvalkalo lūžio rodiklis.

(3) Režimo lauko skersmuo Režimo lauko skersmuo gali būti apibrėžtas pagrindinio režimo lauko Ea perdavimo funkcija, tai yra, plotis tarp dviejų 1/é taškų kreivėje, rodančioje ryšį tarp pagrindinio režimo lauko Ea perdavimo funkcijos ir radialinio r, yra režimo lauko skersmuo.

Formos lauko skersmens įvertinimas: 2S.=2入/(πn√△)

Vienmodė -pluošto atveju naudojamas režimo lauko skersmuo, o ne šerdies skersmuo. Priežastis ta, kad skaidulos, kurių šerdies skersmuo yra vienodos, turės skirtingą režimų lauko pasiskirstymą esant skirtingam lūžio rodiklio pasiskirstymui, o pluošto perdavimo efektyvumas priklauso nuo režimo lauko pasiskirstymo.

Statybai, jei režimo lauko skersmuo nesutampa su pluošto jungtimi, didelis nuokrypis padidins ryšio praradimą. ITU-T nurodo režimo lauko skersmenį kaip (9-10) ± 1 μm.

(4) Ribinis bangos ilgis (vieno-moda perdavimo sąlyga) Ribinis bangos ilgis yra vieno-moda skaidulų sąlyga, užtikrinanti vieno-modimo perdavimą. Už šio bangos ilgio antros{5}}eilės LP režimas nebesklinda. Ribinis bangos ilgis skiriasi nuo kitų parametrų tuo, kad jis nėra pastovus, o kinta priklausomai nuo ilgio. Tam reikia, kad vienmodės skaidulos ribinis bangos ilgis būtų mažesnis už optinio ryšio sistemos veikimo bangos ilgį. Šiuo metu vienmodės skaidulos ribinis bangos ilgis yra 1,10–1,28 µm, nulemtas santykinio lūžio rodiklio skirtumo Δ ir skerspjūvio formos.

Netiesiniai optinių skaidulų efektai

Šiuolaikinėse tankaus bangų ilgio tankinimo (DWDM) didelės -pajėgos, didelės- spartos optinio pluošto ryšio sistemose su erbio- legiruoto pluošto stiprintuvais optinės skaidulos perduoda kelių bangų ilgius ir didelę galią. Ši didelė optinė galia gali sukelti įvairius netiesinius efektus dėl signalo ir pluošto sąveikos. Jei šie netiesiniai efektai nėra tinkamai slopinami, jie gali smarkiai paveikti sistemos veikimą ir apriboti regeneruojamo kartotuvo atstumą. Tiesiškumas arba netiesiškumas reiškia šviesos savybes perdavimo terpėje, o ne pačios šviesos savybes. Tačiau optinio lauko buvimas keičia terpės savybes. Kai terpę veikia stiprus optinis laukas, terpę sudarančių atomų ar molekulių elektronai pasislenka arba vibruoja, sukeldami poliarizaciją. Dipolio bangos atsiranda poliarizuotoje terpėje, o šie dipoliai spinduliuoja tokio paties dažnio elektromagnetines bangas, kurios dedamos ant pradinio krintančio lauko ir tampa visu optiniu lauku terpėje. Tai rodo, kad terpės savybių pokyčiai, savo ruožtu, turi įtakos optiniam laukui.

Netiesinius optinių skaidulų efektus galima suskirstyti į dvi kategorijas: stimuliuojamą sklaidą ir lūžio rodiklio trikdymą.

◇Stimuliuojama sklaida atsiranda moduliuotose sistemose, kur optiniai signalai sąveikauja su akustinėmis bangomis arba sistemos virpesiais optinėse skaidulose; tai yra optinis laukas perduoda dalį energijos netiesinei terpei. Šiai kategorijai priklauso stimuliuojama Ramano sklaida ir stimuliuojama Brillouino sklaida.

Stimuliuotą Ramano sklaidą (SRS) sukelia molekulinių virpesių moduliacija (sąveika) terpėje krintančioje šviesoje (vadinama pompos šviesa), dėl kurios krintanti šviesa išsisklaido. Tegul krintančios šviesos dažnis yra , o terpės molekulinių virpesių dažnis ν, tada išsklaidytos šviesos dažniai yra ∞=∞∞ ir ν=∞, +∞. Šis reiškinys vadinamas stimuliuota Ramano sklaida. Išsklaidyta šviesa, kurios dažnis ∞, vadinama Stokso banga; išsklaidyta šviesa, kurios dažnis yra ν, vadinama anti-Stokso banga.

◇ Esant mažai optinei galiai, silicio stiklo pluošto lūžio rodiklis išlieka pastovus dėl lūžio rodiklio perturbacijos. Tačiau naudojant balastinį skaidulinį stiprintuvą norint gauti didelę optinę galią, keičiant perduodamo signalo intensyvumą, gali pasikeisti pluošto lūžio rodiklis. Trys netiesiniai efektai, kuriuos sukelia lūžio rodiklio trikdymas, yra savaiminis-fazių moduliavimas (SPM), kryžminis-fazių moduliavimas (MUT) ir keturių-bangų maišymas.

Savaiminis-fazės moduliavimas (SPM) reiškia reiškinį, kai perdavimo metu keičiasi optinio impulso fazė, dėl kurios plečiasi impulsų spektras. SPM yra glaudžiai susijęs su susitelkimu į save-; jei yra sunkus, tankaus bangos ilgio padalijimo tankinimo (DWDM) sistemose spektrinis išplėtimas gali persidengti į gretimus kanalus.

Optinių skaidulų mechaninės ir temperatūros savybės

Optinių skaidulų mechaninės savybės

Optinių skaidulų mechaninės savybės yra labai svarbios. Ryšiams naudojami kvarciniai optiniai pluoštai yra ploni stiklo siūlai, kurių išorinis skersmuo yra maždaug 125 μm. Stiklas yra labai kieta, ne-takli ir trapi medžiaga. Jo stiprumo ribą lemia jo struktūroje esančių Si-O jungčių sukibimo jėga. Teoriškai įtempis, reikalingas Si-O atominiams ryšiams nutraukti, yra 19600–24500 N/mm², todėl maždaug 125 μm išorinio skersmens optinis pluoštas gali atlaikyti 294 N atsparumą tempimui. Tačiau tikrojo optinio pluošto paviršiuje arba viduje neišvengiamai atsiranda įtrūkimų. Kai pluoštas yra veikiamas išorinės jėgos, net labai mažas mikro-įtrūkimas gali išsiplėsti ir išplisti, sukeldamas katastrofišką trūkį, o tai labai sumažina pluošto trūkimo stiprumą (maždaug 1/4 teorinės vertės). Todėl nuo optinių skaidulų kūrimo iki didelio masto{18}}pritaikymo šiems iššūkiams įveikti buvo investuota daug pastangų, išteklių ir lėšų. Šiuo metu tyrimų, gamybos, kabelių ir statybos skyriai toliau tiria, kaip pagerinti optinių skaidulų atsparumą tempimui ir tarnavimo laiką.

Parduodamų optinių skaidulų atsparumas tempimui turi būti ne mažesnis kaip 2,35 N tempimo jėgos. Šiuo metu parduodamų optinių skaidulų tempiamasis stipris pasiekė 0,5% tempimo arba 432 g tempimo jėgos. Buityje naudojamų optinių skaidulų, skirtų inžineriniams projektams, tempiamasis stipris paprastai yra didesnis nei 400 g tempimo jėgos. Geresnės kokybės užsienio optinių skaidulų tempiamasis stipris viršija 700 g tempimo jėgą, o skaidulos, naudojamos povandeniniams kabeliams, reikalauja dar didesnio stiprumo. Šie optinių skaidulų atsparumo tempimui reikalavimai pasiekiami naudojant atrankos metodus skaidulų gamybos proceso metu.

Optinio pluošto tarnavimo laikas paprastai vadinamas jo tarnavimo laiku. Žvelgiant iš mechaninio veikimo perspektyvos, tarnavimo laikas reiškia jo lūžimo trukmę. Optinių skaidulų ir kabelių gamyboje ir inžinerijoje paprastai numatomas 20 metų tarnavimo laikas. Tačiau tikroji optinių skaidulų eksploatavimo trukmė nėra visiškai vienoda dėl eksploatacinės aplinkos įtakos (pvz., temperatūros, drėgmės ir statinio bei dinaminio nuovargio). Dabartiniai skaičiavimai rodo, kad optinės skaidulos, sukurtos 20 metų, iš tikrųjų gali tarnauti 30–40 metų.

Optinių skaidulų temperatūros charakteristikos

Optinio pluošto temperatūros charakteristikos nurodo aukštos ir žemos temperatūros poveikį pluošto praradimui, dėl kurio paprastai padidėja nuostoliai. Pluošto nuostoliai didėja tiek aukštoje, tiek žemoje temperatūroje, nes pluošto dangai ir apvalkalui naudojamos medžiagos yra organinės dervos ir plastikai, kurių susitraukimo ir plėtimosi koeficientai yra daug didesni nei kvarco. Todėl, esant žemai temperatūrai, pluoštas patiria ašinį gniuždymo jėgą, sukeldamas mikro-lenkimą, o aukštoje temperatūroje jis patiria ašinį pailgėjimo jėgą, sukuria įtempį ir padidina nuostolius. Optinio pluošto temperatūros charakteristikos rodo, kad mažėjant temperatūrai, skaidulų nuostoliai taip pat didėja. Kai temperatūra nukrenta iki maždaug -55 laipsnių, nuostoliai labai padidėja, todėl sistema tampa netinkama naudoti. Šiuo metu optinių skaidulų žemos temperatūros charakteristikos pasiekė gerą lygį; paprastai, esant -20 laipsnių, nuostolių padidėjimas yra mažesnis nei 0,1 dB/km, o aukštos kokybės pluošto – mažesnis nei 0,05 dB/km.

Optinio skaidulų veikimas žemoje{0}}temperatūroje yra labai svarbus. Orinių optinių kabelių ir linijų šiauriniuose regionuose prastas žemos-temperatūros veikimas labai paveiks ryšio kokybę. Todėl šviesolaidžio gamybos metu būtina parinkti tinkamas dangos ir apvalkalo medžiagas bei tobulinti procesus. Inžineriniame projekte būtina pasirinkti puikių charakteristikų optinius pluoštus.