Proprietățile geometrice și optice ale fibrelor optice
Proprietăți geometrice
Caracteristicile geometrice alefibre opticesunt strâns legate de construcții și{0}}conexiunile cu pierderi reduse. Aceste caracteristici geometrice includ diametrul miezului, dimensiunile placajului, concentricitatea fibrei și ne-circularitatea.
(1) Diametrul miezului: Diametrul miezului este o cerință pentru fibrele optice multimodale. ITU-T specifică diametrul miezului fibrelor optice multimode ca (50 ± 3) μm.
(2) Diametrul exterior: diametrul exterior al fibrei optice se referă la diametrul fibrei goale. Indiferent dacă este fibră multimodală sau monomod-, ITU-T specifică diametrul exterior al fibrelor optice utilizate pentru comunicare ca (125 + 3) μm.
(3) Concentricitatea fibrei și-de-circulalitatea: concentricitatea este raportul dintre distanța dintre centrul miezului și centrul placajului și diametrul miezului. În afara-din-circularitatea include-de-circularitatea miezului și a învelișului și poate fi exprimată prin următoarea formulă:
În formula, Dmaxsi Dminsunt diametrele maxime și minime ale miezului (placarea); Dcoeste diametrul standard al miezului (placarea).
ITU-T specifică că: eroarea de concentricitate a fibrei multimode trebuie să fie mai mică de 6%; non-circularitatea de bază ar trebui să fie mai mică de 6% (inclusiv modul-unic); ne-circularitatea placajului trebuie să fie mai mică de 2%; iar eroarea de concentricitate a fibrei mono-mod ar trebui să fie de 1μm.
Proprietăți optice
Proprietățile optice ale fibrelor optice sunt un factor crucial care determină performanța lor de transmisie.
(1) Distribuția indicelui de refracție: distribuția indicelui de refracție al fibrelor multimodale determină lățimea de bandă a fibrei și pierderea conexiunii; distribuția indicelui de refracție a fibrelor cu un singur-mod determină selecția lungimii de undă de funcționare. Formula generală pentru indicele de refracție al fibrelor optice este:
În formulă, este distanța față de axa fibrei; n(0) este indicele de refracție al miezului fibrei când r=0; g este indicele de distribuție a indicelui de refracție, care are valori diferite care rezultă în distribuții diferite ale indicelui de refracție, așa cum se arată în Figura 2-2; este raza miezului fibrei (μm); și △este diferența relativă a indicelui de refracție.
Indicele de refracție a miezului: când r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)g]1/2
Indicele de refracție a placajului: când r Mai mare sau egal cu ,n=n(r)=n(0)[1-2△]1/2
(2) Deschiderea numerică (NA) a fibrei optice este strâns legată de eficiența de cuplare a sursei de lumină, de sensibilitatea la pierderea fibrei la microbending și de lățimea de bandă. O deschidere numerică mai mare facilitează cuplarea, reduce sensibilitatea la microbending și are ca rezultat o lățime de bandă mai îngustă. Diafragma numerică maximă teoretică este definită după cum urmează:
În formulă, n este indicele de refracție al miezului uniform al fibrei indice-pasului (indicele de refracție n(0) al centrului nucleului fibrei indice-gradate); ng este indicele de refracție al învelișului uniform.
(3) Diametrul câmpului de mod Diametrul câmpului de mod poate fi definit de funcția de transfer a câmpului de mod fundamental Ea, adică lățimea dintre două puncte 1/é de pe curba relației dintre funcția de transfer a câmpului de mod fundamental Ea și radial r este diametrul câmpului de mod.
Estimarea diametrului câmpului matriței: 2S.=2入/(πn√△)
În fibra monomod-, diametrul câmpului de mod este utilizat în locul diametrului miezului. Motivul este că fibrele cu același diametru de miez vor avea distribuții diferite ale câmpului de mod sub diferite distribuții ale indicelui de refracție, iar performanța de transmisie a fibrei depinde de distribuția câmpului de mod.
Pentru construcție, dacă diametrul câmpului de mod este nepotrivit în conexiunea de fibră, o abatere mare va crește pierderea conexiunii. ITU-T specifică diametrul câmpului de mod ca (9-10) ± 1 μm.
(4) Lungime de undă de tăiere (condiție de transmisie cu un singur-mod) Lungimea de undă de tăiere este condiția pentru ca fibra cu un singur-mod să garanteze transmisia cu un-mod. Dincolo de această lungime de undă, modul LP de ordinul al doilea-nu se mai propagă. Lungimea de undă de tăiere diferă de alți parametri prin faptul că nu este constantă, ci se modifică cu lungimea. Acest lucru necesită ca lungimea de undă de tăiere a fibrei cu un singur-mod să fie mai mică decât lungimea de undă de operare a sistemului de comunicații optice. În prezent, lungimea de undă de tăiere a fibrei cu un singur-mod este de 1,10~1,28µm, determinată de diferența relativă a indicelui de refracție Δ și de forma secțiunii-transversale.
Efectele neliniare ale fibrelor optice
În sistemele de comunicații cu fibră optică de înaltă{0}}capacitate,-viteză, cu multiplexare pe diviziune a lungimii de undă dense (DWDM) de astăzi, cu amplificatoare cu fibră dopată cu erbiu-, fibrele optice transmit lungimi de undă multiple și putere mare. Această putere optică mare poate provoca diverse efecte neliniare datorită interacțiunii dintre semnal și fibră. Dacă aceste efecte neliniare nu sunt suprimate în mod corespunzător, ele pot afecta grav performanța sistemului și pot limita distanța regenerabilă a repetorului. Liniaritatea sau neliniaritatea se referă la proprietățile luminii în mediul de transmisie, nu la proprietățile luminii în sine. Cu toate acestea, prezența unui câmp optic modifică proprietățile mediului. Când un mediu este supus unui câmp optic puternic, electronii din atomii sau moleculele care alcătuiesc mediul se deplasează sau vibrează, provocând polarizare. Undele dipol apar în mediul polarizat, iar acești dipoli radiază unde electromagnetice de aceeași frecvență, care sunt suprapuse câmpului incident inițial, devenind câmpul optic total din mediu. Acest lucru demonstrează că schimbările în proprietățile mediului afectează, la rândul lor, câmpul optic.
Efectele neliniare ale fibrelor optice pot fi împărțite în două categorii: împrăștierea stimulată și perturbarea indicelui de refracție.
◇Răspândirea stimulată are loc în sistemele modulate în care semnalele optice interacționează cu undele acustice sau vibrațiile sistemului din fibrele optice; adică câmpul optic transferă o oarecare energie către mediul neliniar. Imprăștirea Raman stimulată și împrăștierea Brillouin stimulată aparțin acestei categorii.
Imprăștirea Raman stimulată (SRS) este cauzată de modularea (interacțiunea) vibrațiilor moleculare din mediu asupra luminii incidente (numită lumină de pompă), având ca rezultat împrăștierea luminii incidente. Fie frecvența luminii incidente și frecvența vibrațiilor moleculare ale mediului ν, atunci frecvențele luminii împrăștiate sunt ∞=∞∞ și ν=∞, +∞. Acest fenomen se numește împrăștiere Raman stimulată. Lumina împrăștiată cu o frecvență de ∞ se numește undă Stokes; lumina împrăștiată cu o frecvență de ν se numește undă anti-Stokes.
◇La putere optică scăzută, indicele de refracție al fibrei de sticlă de siliciu rămâne constant datorită perturbării indicelui de refracție. Cu toate acestea, atunci când se folosește un amplificator cu fibră balastă pentru a obține o putere optică mare, modificarea intensității semnalului transmis poate induce o modificare a indicelui de refracție al fibrei. Trei efecte neliniare cauzate de perturbarea indicelui de refracție sunt auto-modularea de fază (SPM), modulația de fază încrucișată (CPM) și amestecarea cu patru-unde.
Auto{0}}modularea de fază (SPM) se referă la fenomenul în care faza impulsului optic se modifică în timpul transmisiei, ducând la lărgirea spectrală a impulsului. SPM este strâns legat de auto{2}}concentrarea; dacă este gravă, în sistemele de multiplexare densă cu diviziune în lungime de undă (DWDM), lărgirea spectrală se poate suprapune pe canalele adiacente.
Proprietățile mecanice și de temperatură ale fibrelor optice
Proprietățile mecanice ale fibrelor optice
Proprietățile mecanice ale fibrelor optice sunt cruciale. Fibrele optice de cuarț utilizate în comunicare sunt filamente subțiri de sticlă cu un diametru exterior de aproximativ 125 μm. Sticla este un material foarte dur, ne-ductil și fragil. Limita sa de rezistență este determinată de forța de legătură a legăturilor Si-O din structura sa. Teoretic, efortul necesar pentru ruperea legăturilor atomice Si-O este estimat la 19600–24500 N/mm², prin urmare, o fibră optică cu un diametru exterior de aproximativ 125 μm poate rezista la o rezistență la tracțiune de 294 N. Cu toate acestea, există inevitabil fisuri pe suprafața sau în interiorul fibrelor optice reale. Când fibra este supusă unei forțe externe, chiar și o micro-fisura foarte mică se poate extinde și propaga, provocând o rupere catastrofală, care reduce foarte mult rezistența la rupere a fibrei (aproximativ 1/4 din valoarea teoretică). Prin urmare, de la dezvoltarea și până la aplicarea-la scară largă a fibrelor optice, au fost investite eforturi, resurse și finanțare semnificative pentru a depăși aceste provocări. În prezent, departamentele de cercetare, producție, cablare și construcții investighează în continuare modul de îmbunătățire a rezistenței la tracțiune și a duratei de viață a fibrelor optice.
Rezistența la tracțiune a fibrelor optice disponibile în comerț nu trebuie să fie mai mică de 2,35 N de forță de tracțiune. În prezent, rezistența la tracțiune a fibrelor optice disponibile în comerț a atins 0,5% deformare sau 432 g forță de tracțiune. Fibrele optice utilizate pe plan intern pentru proiecte de inginerie au, în general, o rezistență la tracțiune mai mare de 400 g forță de tracțiune. Fibrele optice străine de calitate mai bună au rezistențe la tracțiune care depășesc 700 g forță de tracțiune, iar fibrele utilizate pentru cablurile submarine necesită rezistențe și mai mari. Aceste cerințe pentru rezistența la rupere a fibrelor optice sunt atinse prin metode de screening în timpul procesului de fabricare a fibrelor.
Durata de viață a fibrei optice este denumită în mod obișnuit durata de viață a acesteia. Din perspectiva performanței mecanice, durata de viață se referă la durata de viață a ruperii. În producția și proiectarea fibrelor optice și a cablurilor, se proiectează în general o durată de viață de 20 de ani. Cu toate acestea, durata de viață reală a fibrelor optice nu este pe deplin consecventă din cauza influenței mediului de operare (cum ar fi temperatura, umiditatea și oboseala statică și dinamică). Estimările actuale sugerează că fibrele optice concepute pentru o durată de viață de 20 de ani pot dura de fapt 30 până la 40 de ani.
Caracteristicile de temperatură ale fibrelor optice
Caracteristicile de temperatură ale fibrei optice se referă la impactul temperaturilor ridicate și scăzute asupra pierderii fibrei, rezultând în general pierderi crescute. Pierderea fibrelor crește atât în condiții de temperatură înaltă, cât și în condiții de temperatură scăzută, deoarece materialele utilizate în acoperirea și placarea fibrelor sunt rășini organice și materiale plastice, care au coeficienți de contracție și dilatare mult mai mari decât cuarțul. Prin urmare, la temperaturi scăzute, fibra se confruntă cu o forță de compresiune axială, care provoacă micro-îndoire, în timp ce la temperaturi ridicate, se confruntă cu o forță de alungire axială, generând stres și ducând la pierderi crescute. Caracteristicile de temperatură ale fibrei optice arată că, pe măsură ce temperatura scade, și pierderea fibrei crește. Când temperatura scade la aproximativ -55 de grade , pierderea crește dramatic, făcând sistemul inutilizabil. În prezent, caracteristicile{10}}de temperatură scăzută ale fibrelor optice au atins un nivel bun; în general, la -20 de grade, creșterea pierderii este mai mică de 0,1 dB/km, iar pentru fibrele de înaltă calitate, este mai mică de 0,05 dB/km.
Performanța-la temperaturii scăzute a fibrelor optice este crucială. Pentru cablurile și liniile optice aeriene din regiunile nordice, performanța slabă la temperatură joasă-va afecta grav calitatea comunicației. Prin urmare, în timpul producției de fibre optice, este esențial să selectați materiale de acoperire și placare adecvate și să îmbunătățiți procesele. În proiectarea inginerească, este imperativ să selectați fibre optice cu caracteristici excelente.
