Charakteristika optických vláken (část 2)

Geometrické a optické vlastnosti optických vláken

Geometrické vlastnosti

Geometrické charakteristikyoptických vlákenúzce souvisejí s výstavbou a připojením s nízkými{0}}ztrátami. Tyto geometrické charakteristiky zahrnují průměr jádra, rozměry pláště, soustřednost vláken a nekruhovitost.

(1) Průměr jádra: Průměr jádra je požadavek na vícevidová optická vlákna. ITU-T specifikuje průměr jádra vícevidových optických vláken jako (50 ± 3) μm.

(2) Vnější průměr: Vnější průměr optického vlákna se vztahuje k průměru holého vlákna. Bez ohledu na to, zda se jedná o vícevidové nebo jednovidové vlákno, ITU-T určuje vnější průměr optických vláken používaných pro komunikaci jako (125 + 3) μm.

(3) Soustřednost vlákna a mimo-kruhovost{2}}: Soustřednost je poměr vzdálenosti mezi středem jádra a středem pláště k průměru jádra. Mimo-kruhovitost-zahrnuje mimo-okružnost-kruhovosti jádra a pláště a lze ji vyjádřit následujícím vzorcem:

Ve vzorci D_maxa D_minjsou maximální a minimální průměry jádra (plášťování); D_coje standardní průměr jádra (opláštění).

ITU-T specifikuje, že: chyba soustřednosti vícevidového vlákna by měla být menší než 6 %; nekruhovitost jádra by měla být menší než 6 % (včetně jednoduchého-režimu); nekruhovitost opláštění by měla být menší než 2 %; a chyba soustřednosti jednovidového-vlákna by měla být 1μm.

Optické vlastnosti

Optické vlastnosti optických vláken jsou rozhodujícím faktorem určujícím jejich přenosový výkon.

(1) Distribuce indexu lomu: Distribuce indexu lomu vícevidových vláken určuje šířku pásma vlákna a ztrátu spojení; distribuce indexu lomu jednovidových vláken určuje výběr provozní vlnové délky. Obecný vzorec pro index lomu optických vláken je:

Ve vzorci je vzdálenost od osy vlákna; n(0) je index lomu jádra vlákna, když r=0; g je distribuční index indexu lomu, který má různé hodnoty, které vedou k různým distribucím indexu lomu, jak je znázorněno na obrázku 2-2; je poloměr jádra vlákna (μm); a △je rozdíl relativního indexu lomu.

Index lomu jádra: když r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)^g]^1/2
Index lomu pláště: když r větší nebo rovno ,n=n(r)=n(0)[1-2△]^1/2

(2) Numerická apertura (NA) optického vlákna úzce souvisí s účinností vazby světelného zdroje, citlivostí ztráty vlákna na mikroohyb a šířkou pásma. Větší numerická apertura usnadňuje spojení, snižuje citlivost na mikroohyby a vede k užší šířce pásma. Maximální teoretická numerická apertura je definována takto:

Ve vzorci je n index lomu jednotného jádra vlákna se stupňovitým-indexem (index lomu n(0) středu jádra vlákna se stupňovitým-indexem); ng je index lomu jednotného pláště.

(3) Průměr módového pole Průměr módového pole lze definovat přenosovou funkcí základního módového pole Ea, to znamená šířkou mezi dvěma 1/é body na křivce vztahu mezi přenosovou funkcí základního módového pole Ea a radiálem r je průměr módového pole.

Odhad průměru pole formy: 2S.=2入/(πn√△)

U jednovidového-vlákna se místo průměru jádra používá průměr pole režimu. Důvodem je to, že vlákna se stejným průměrem jádra budou mít různá rozložení vidového pole při různých rozloženích indexu lomu a přenosový výkon vlákna závisí na rozložení vidového pole.

Pro konstrukci, pokud je průměr pole režimu ve spojení vláken nesoulad, velká odchylka zvýší ztrátu spojení. ITU-T specifikuje průměr pole režimu jako (9-10) ± 1 μm.

(4) Mezní vlnová délka (podmínka přenosu v jednom-režimu) Mezní vlnová délka je podmínkou pro jedno-režimové vlákno, aby bylo zaručeno jedno-režimové vysílání. Za touto vlnovou délkou se již režim LP druhého-řádu nešíří. Mezní vlnová délka se liší od ostatních parametrů tím, že není konstantní, ale mění se s délkou. To vyžaduje, aby mezní vlnová délka jednovidového vlákna byla menší než provozní vlnová délka optického komunikačního systému. V současné době je mezní vlnová délka jednovidového vlákna 1,10~1,28 µm, určená rozdílem relativního indexu lomu Δ a tvarem průřezu.

Nelineární efekty optických vláken

V dnešních vysokokapacitních, vysokokapacitních, vysokorychlostních optických vláknových komunikačních systémech DWDM (dense wavelength division multiplexing) se zesilovači s erbiem-dopovaným vláknem, přenášejí optická vlákna více vlnových délek a vysoký výkon. Tento vysoký optický výkon může způsobit různé nelineární efekty v důsledku interakce mezi signálem a vláknem. Pokud tyto nelineární efekty nejsou řádně potlačeny, mohou vážně ovlivnit výkon systému a omezit vzdálenost obnovitelného opakovače. Linearita nebo nelinearita se týká vlastností světla v přenosovém médiu, nikoli vlastností světla samotného. Přítomnost optického pole však mění vlastnosti média. Když je médium vystaveno silnému optickému poli, elektrony v atomech nebo molekulách, které tvoří médium, se posunou nebo vibrují, což způsobí polarizaci. V polarizovaném prostředí se objevují dipólové vlny a tyto dipóly vyzařují elektromagnetické vlny stejné frekvence, které se superponují na původní dopadající pole a stávají se celkovým optickým polem v médiu. To ukazuje, že změny vlastností média zase ovlivňují optické pole.

Nelineární efekty optických vláken lze rozdělit do dvou kategorií: stimulovaný rozptyl a porucha indexu lomu.

◇Stimulovaný rozptyl se vyskytuje v modulovaných systémech, kde optické signály interagují s akustickými vlnami nebo systémovými vibracemi v optických vláknech; to znamená, že optické pole přenáší určitou energii do nelineárního prostředí. Do této kategorie patří stimulovaný Ramanův rozptyl a stimulovaný Brillouinův rozptyl.

Stimulovaný Ramanův rozptyl (SRS) je způsoben modulací (interakcí) molekulárních vibrací v médiu na dopadající světlo (tzv. světlo pumpy), což má za následek rozptyl dopadajícího světla. Nechť frekvence dopadajícího světla je a frekvence molekulárních vibrací média je ν, pak frekvence rozptýleného světla jsou ∞=∞∞ a ν=∞, +∞. Tento jev se nazývá stimulovaný Ramanův rozptyl. Rozptýlené světlo s frekvencí ∞ se nazývá Stokesova vlna; rozptýlené světlo s frekvencí ν se nazývá anti-Stokesova vlna.

◇ Při nízkém optickém výkonu zůstává index lomu vláken z křemičitého skla konstantní kvůli poruchám indexu lomu. Při použití předřadného vláknového zesilovače pro získání vysokého optického výkonu však může změna intenzity přenášeného signálu vyvolat změnu indexu lomu vlákna. Tři nelineární efekty způsobené poruchou indexu lomu jsou samo-fázová modulace (SPM), křížová-fázová modulace (CPM) a čtyř-mísení vln.

Vlastní{0}}fázová modulace (SPM) označuje jev, kdy se během přenosu mění fáze optického pulzu, což vede k rozšíření pulzního spektra. SPM úzce souvisí se zaměřením na sebe-; pokud je závažná, v systémech s hustou vlnovou délkou multiplexování (DWDM) se může spektrální rozšíření překrývat do sousedních kanálů.

Mechanické a teplotní vlastnosti optických vláken

Mechanické vlastnosti optických vláken

Rozhodující jsou mechanické vlastnosti optických vláken. Křemenná optická vlákna používaná v komunikaci jsou tenká skleněná vlákna s vnějším průměrem přibližně 125 μm. Sklo je vysoce tvrdý, ne -tažný a křehký materiál. Jeho mez pevnosti je určena vazebnou silou vazeb Si-O v jeho struktuře. Teoreticky je napětí potřebné k rozbití atomových vazeb Si-O odhadováno na 19600–24500 N/mm², proto optické vlákno s vnějším průměrem přibližně 125 μm vydrží pevnost v tahu 294 N. Praskliny však nevyhnutelně existují na povrchu nebo uvnitř skutečných optických vláken. Když je vlákno vystaveno vnější síle, může se i velmi malá mikro-trhlina rozšířit a rozšířit, což způsobí katastrofální prasknutí, což značně sníží pevnost vlákna (přibližně 1/4 teoretické hodnoty). Od vývoje až po rozsáhlé{18}}použití optických vláken bylo proto do překonání těchto výzev investováno značné úsilí, zdroje a finanční prostředky. V současné době výzkumná, výrobní, kabelážní a konstrukční oddělení dále zkoumají, jak zlepšit pevnost v tahu a životnost optických vláken.

Pevnost v tahu komerčně dostupných optických vláken nesmí být menší než 2,35 N tahové síly. V současné době dosáhla pevnost v tahu komerčně dostupných optických vláken 0,5 % deformace, neboli 432 g tahové síly. V tuzemsku používaná optická vlákna pro inženýrské projekty mají obecně pevnost v tahu větší než 400 g tahové síly. Kvalitnější zahraniční optická vlákna mají pevnost v tahu přesahující 700 g tahové síly a vlákna používaná pro podmořské kabely vyžadují ještě vyšší pevnosti. Těchto požadavků na pevnost v tahu optických vláken je dosaženo pomocí metod prosévání během procesu výroby vlákna.

Životnost optického vlákna je běžně označována jako jeho životnost. Z hlediska mechanického výkonu se životnost vztahuje k životnosti při lomu. Při výrobě a konstrukci optických vláken a kabelů se obecně navrhuje životnost 20 let. Skutečná životnost optických vláken však není zcela konzistentní kvůli vlivu provozního prostředí (jako je teplota, vlhkost a statická a dynamická únava). Současné odhady naznačují, že optická vlákna navržená pro 20letou životnost mohou ve skutečnosti vydržet 30 až 40 let.

Teplotní charakteristiky optických vláken

Teplotní charakteristiky optického vlákna odkazují na vliv vysokých a nízkých teplot na ztrátu vlákna, což obecně vede ke zvýšeným ztrátám. Ztráta vláken se zvyšuje za podmínek vysokých i nízkých teplot, protože materiály použité v potahu a opláštění vláken jsou organické pryskyřice a plasty, které mají mnohem větší koeficienty smršťování a roztahování než křemen. Proto při nízkých teplotách vlákno zažívá axiální tlakovou sílu, která způsobuje mikro-ohýbání, zatímco při vysokých teplotách je vystavena axiální protahovací síle, která vytváří napětí a vede ke zvýšeným ztrátám. Teplotní charakteristiky optického vlákna ukazují, že s klesající teplotou roste i ztráta vlákna. Když teplota klesne na přibližně -55 stupňů, ztráta se dramaticky zvýší a systém je nepoužitelný. Nízkoteplotní charakteristiky optických vláken v současnosti dosáhly dobré úrovně; obecně při -20 stupních je nárůst ztrát menší než 0,1 dB/km a u vysoce kvalitních vláken je to méně než 0,05 dB/km.

Výkon optických vláken při nízkých{0}}teplotách je zásadní. U nadzemních optických kabelů a vedení v severních oblastech bude mít špatný výkon při nízkých-teplotách vážný dopad na kvalitu komunikace. Proto je při výrobě optických vláken nezbytné vybrat vhodné materiály pro potah a povlak a zlepšit procesy. Při konstrukčním návrhu je nezbytné vybrat optická vlákna s vynikajícími vlastnostmi.