Χαρακτηριστικά των οπτικών ινών (μέρος 2)

Γεωμετρικές και οπτικές ιδιότητες των οπτικών ινών

Γεωμετρικές ιδιότητες

Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά τουοπτικών ινώνσυνδέονται στενά με τις κατασκευές και τις{0}}συνδέσεις χαμηλών απωλειών. Αυτά τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν τη διάμετρο του πυρήνα, τις διαστάσεις επένδυσης, την ομόκεντρη ίνα και τη μη{2}}κυκλικότητα.

(1) Διάμετρος πυρήνα: Η διάμετρος πυρήνα είναι απαίτηση για πολυτροπικές οπτικές ίνες. Το ITU-T καθορίζει τη διάμετρο πυρήνα των πολυτροπικών οπτικών ινών ως (50 ± 3) μm.

(2) Εξωτερική διάμετρος: Η εξωτερική διάμετρος της οπτικής ίνας αναφέρεται στη διάμετρο της γυμνής ίνας. Ανεξάρτητα από το αν πρόκειται για ίνα πολλαπλής λειτουργίας ή μονής-λειτουργίας, το ITU-T καθορίζει την εξωτερική διάμετρο των οπτικών ινών που χρησιμοποιούνται για επικοινωνία ως (125 + 3) μm.

(3) Ομοκεντρικότητα ινών και έξω-από-κυκλικότητα: Η ομοκεντρότητα είναι ο λόγος της απόστασης μεταξύ του κέντρου του πυρήνα και του κέντρου επένδυσης προς τη διάμετρο του πυρήνα. Η κυκλικότητα-εκτός-περιλαμβάνει την κυκλικότητα εκτός-του πυρήνα και της επένδυσης και μπορεί να εκφραστεί με τον ακόλουθο τύπο:

Στον τύπο, ο Δ_μέγκαι Δ_ελάχείναι η μέγιστη και η ελάχιστη διάμετρος του πυρήνα (επένδυση). ρε_συνείναι η τυπική διάμετρος του πυρήνα (επένδυση).

Το ITU-T διευκρινίζει ότι: το σφάλμα ομοκεντρικότητας της πολυτροπικής ίνας πρέπει να είναι μικρότερο από 6%. η μη-κυκλικότητα του πυρήνα πρέπει να είναι μικρότερη από 6% (συμπεριλαμβανομένης της μονής-λειτουργίας). η μη-κυκλικότητα επένδυσης πρέπει να είναι μικρότερη από 2%. και το σφάλμα συγκεντρότητας της ίνας μονής-λειτουργίας πρέπει να είναι 1μm.

Οπτικές ιδιότητες

Οι οπτικές ιδιότητες των οπτικών ινών είναι ένας κρίσιμος παράγοντας που καθορίζει την απόδοση μετάδοσης τους.

(1) Κατανομή δείκτη διάθλασης: Η κατανομή του δείκτη διάθλασης των πολύτροπων ινών καθορίζει το εύρος ζώνης της ίνας και την απώλεια σύνδεσης. η κατανομή του δείκτη διάθλασης των ινών μονής-λειτουργίας καθορίζει την επιλογή του μήκους κύματος λειτουργίας. Ο γενικός τύπος για τον δείκτη διάθλασης των οπτικών ινών είναι:

Στον τύπο, είναι η απόσταση από τον άξονα της ίνας. n(0) είναι ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα της ίνας όταν r=0; g είναι ο δείκτης κατανομής του δείκτη διάθλασης, ο οποίος έχει διαφορετικές τιμές με αποτέλεσμα διαφορετικές κατανομές δείκτη διάθλασης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2-2. είναι η ακτίνα του πυρήνα της ίνας (μm). και △ είναι η σχετική διαφορά δείκτη διάθλασης.

Δείκτης διάθλασης πυρήνα: όταν r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)^g]^1/2
Δείκτης διάθλασης επένδυσης: όταν r Μεγαλύτερο ή ίσο με ,n=n(r)=n(0)[1-2△]^1/2

(2) Το αριθμητικό άνοιγμα (NA) της οπτικής ίνας σχετίζεται στενά με την απόδοση σύζευξης της φωτεινής πηγής, την ευαισθησία στην απώλεια ινών στη μικροκάμψη και το εύρος ζώνης. Ένα μεγαλύτερο αριθμητικό διάφραγμα διευκολύνει τη σύζευξη, μειώνει την ευαισθησία μικροκάμψης και έχει ως αποτέλεσμα μικρότερο εύρος ζώνης. Το μέγιστο θεωρητικό αριθμητικό διάφραγμα ορίζεται ως εξής:

Στον τύπο, n είναι ο δείκτης διάθλασης του ομοιόμορφου πυρήνα της ίνας βαθμίδας-δείκτης (ο δείκτης διάθλασης n(0) του κέντρου πυρήνα της διαβαθμισμένης-ίνας δείκτη). ng είναι ο δείκτης διάθλασης της ομοιόμορφης επένδυσης.

(3) Διάμετρος πεδίου λειτουργίας Η διάμετρος πεδίου λειτουργίας μπορεί να οριστεί από τη συνάρτηση μεταφοράς του πεδίου θεμελιώδους τρόπου λειτουργίας Ea, δηλαδή το πλάτος μεταξύ δύο σημείων 1/é στην καμπύλη της σχέσης μεταξύ της συνάρτησης μεταφοράς του θεμελιώδους πεδίου λειτουργίας Ea και του ακτινικού r είναι η διάμετρος του πεδίου λειτουργίας.

Εκτίμηση διαμέτρου πεδίου καλουπιού:2S.=2入/(πn√△)

Στην ίνα μονής-λειτουργίας, χρησιμοποιείται η διάμετρος του πεδίου λειτουργίας αντί της διαμέτρου του πυρήνα. Ο λόγος είναι ότι οι ίνες με την ίδια διάμετρο πυρήνα θα έχουν διαφορετικές κατανομές πεδίου τρόπου λειτουργίας υπό διαφορετικές κατανομές δείκτη διάθλασης και η απόδοση μετάδοσης της ίνας εξαρτάται από την κατανομή πεδίου λειτουργίας.

Για την κατασκευή, εάν η διάμετρος του πεδίου λειτουργίας δεν ταιριάζει στη σύνδεση ινών, μια μεγάλη απόκλιση θα αυξήσει την απώλεια σύνδεσης. Το ITU-T καθορίζει τη διάμετρο πεδίου λειτουργίας ως (9-10) ± 1 μm.

(4) Μήκος κύματος αποκοπής (Μονής-Συνθήκη μετάδοσης τρόπου λειτουργίας) Το μήκος κύματος αποκοπής είναι η προϋπόθεση για ίνα μονής-λειτουργίας για να εγγυάται τη μετάδοση μονής-τρόπου. Πέρα από αυτό το μήκος κύματος, η λειτουργία LP δεύτερης-τάξης δεν διαδίδεται πλέον. Το μήκος κύματος αποκοπής διαφέρει από άλλες παραμέτρους στο ότι δεν είναι σταθερό αλλά αλλάζει με το μήκος. Αυτό απαιτεί το μήκος κύματος αποκοπής της ίνας μονής-λειτουργίας να είναι μικρότερο από το μήκος κύματος λειτουργίας του συστήματος οπτικής επικοινωνίας. Επί του παρόντος, το μήκος κύματος αποκοπής της ίνας μονής{10}}λειτουργίας είναι 1,10~1,28 μm, που καθορίζεται από τη σχετική διαφορά δείκτη διάθλασης Δ και το σχήμα της διατομής.

Μη γραμμικές επιδράσεις οπτικών ινών

Στη σημερινή πολυπλεξία με διαίρεση πυκνού μήκους κύματος (DWDM) συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών υψηλής-υψηλής Αυτή η υψηλή οπτική ισχύς μπορεί να προκαλέσει διάφορα μη γραμμικά φαινόμενα λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ του σήματος και της ίνας. Εάν αυτά τα μη γραμμικά φαινόμενα δεν κατασταλούν σωστά, μπορούν να επηρεάσουν σοβαρά την απόδοση του συστήματος και να περιορίσουν την ανανεώσιμη απόσταση επαναλήπτη. Η γραμμικότητα ή η μη γραμμικότητα αναφέρεται στις ιδιότητες του φωτός μέσα στο μέσο μετάδοσης και όχι στις ιδιότητες του ίδιου του φωτός. Ωστόσο, η παρουσία ενός οπτικού πεδίου μεταβάλλει τις ιδιότητες του μέσου. Όταν ένα μέσο υποβάλλεται σε ισχυρό οπτικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια μέσα στα άτομα ή τα μόρια που αποτελούν το μέσο μετατοπίζονται ή δονούνται, προκαλώντας πόλωση. Τα διπολικά κύματα εμφανίζονται μέσα στο πολωμένο μέσο και αυτά τα δίπολα ακτινοβολούν ηλεκτρομαγνητικά κύματα της ίδιας συχνότητας, τα οποία υπερτίθενται στο αρχικό προσπίπτον πεδίο, καθιστώντας το συνολικό οπτικό πεδίο μέσα στο μέσο. Αυτό δείχνει ότι οι αλλαγές στις ιδιότητες του μέσου, με τη σειρά τους, επηρεάζουν το οπτικό πεδίο.

Οι μη γραμμικές επιδράσεις των οπτικών ινών μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: διεγερμένη σκέδαση και διαταραχή δείκτη διάθλασης.

◇ Η διεγερμένη σκέδαση εμφανίζεται σε διαμορφωμένα συστήματα όπου τα οπτικά σήματα αλληλεπιδρούν με ακουστικά κύματα ή δονήσεις συστήματος σε οπτικές ίνες. δηλαδή το οπτικό πεδίο μεταφέρει κάποια ενέργεια στο μη γραμμικό μέσο. Η διεγερμένη σκέδαση Raman και η διεγερμένη σκέδαση Brillouin ανήκουν σε αυτή την κατηγορία.

Η διεγερμένη σκέδαση Raman (SRS) προκαλείται από τη διαμόρφωση (αλληλεπίδραση) των μοριακών δονήσεων στο μέσο στο προσπίπτον φως (που ονομάζεται φως αντλίας), με αποτέλεσμα τη σκέδαση του προσπίπτοντος φωτός. Έστω η συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός , και η συχνότητα των μοριακών δονήσεων του μέσου είναι ν, τότε οι συχνότητες του σκεδαζόμενου φωτός είναι ∞=∞∞ και ν=∞, +∞. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται διεγερμένη σκέδαση Raman. Το σκεδαζόμενο φως με συχνότητα ∞ ονομάζεται κύμα Stokes. το σκεδαζόμενο φως με συχνότητα ν ονομάζεται αντι-κύμα Stokes.

◇ Κάτω από χαμηλή οπτική ισχύ, ο δείκτης διάθλασης των ινών γυαλιού πυριτίου παραμένει σταθερός λόγω της διαταραχής του δείκτη διάθλασης. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιείτε έναν ενισχυτή ινών με έρμα για να αποκτήσετε υψηλή οπτική ισχύ, η αλλαγή της έντασης του μεταδιδόμενου σήματος μπορεί να προκαλέσει αλλαγή στον δείκτη διάθλασης της ίνας. Τρία μη γραμμικά φαινόμενα που προκαλούνται από τη διαταραχή του δείκτη διάθλασης είναι η αυτο-διαμόρφωση φάσης (SPM), η διασταυρούμενη-διαμόρφωση φάσης (CPM) και η μίξη τεσσάρων-κυμάτων.

Η αυτο-διαμόρφωση φάσης (SPM) αναφέρεται στο φαινόμενο όπου η φάση του οπτικού παλμού αλλάζει κατά τη μετάδοση, οδηγώντας σε διεύρυνση του φάσματος παλμού. Το SPM σχετίζεται στενά με την-εστίαση. Εάν είναι σοβαρή, σε συστήματα πολυπλεξίας με διαίρεση πυκνού μήκους κύματος (DWDM), η φασματική διεύρυνση μπορεί να επικαλύπτεται σε γειτονικά κανάλια.

Μηχανικές και θερμοκρασιακές ιδιότητες οπτικών ινών

Μηχανικές ιδιότητες οπτικών ινών

Οι μηχανικές ιδιότητες των οπτικών ινών είναι ζωτικής σημασίας. Οι οπτικές ίνες χαλαζία που χρησιμοποιούνται στην επικοινωνία είναι λεπτά νημάτια γυαλιού με εξωτερική διάμετρο περίπου 125 μm. Το γυαλί είναι ένα πολύ σκληρό, μη{3}}ελάσιμο και εύθραυστο υλικό. Το όριο αντοχής του καθορίζεται από τη δύναμη σύνδεσης των δεσμών Si-O στη δομή του. Θεωρητικά, η τάση που απαιτείται για τη διάσπαση των ατομικών δεσμών Si-O εκτιμάται σε 19600–24500 N/mm², επομένως, μια οπτική ίνα με εξωτερική διάμετρο περίπου 125 μm μπορεί να αντέξει αντοχή εφελκυσμού 294 N. Ωστόσο, αναπόφευκτα υπάρχουν ρωγμές στην επιφάνεια ή στο εσωτερικό των οπτικών ινών. Όταν η ίνα υποβάλλεται σε εξωτερική δύναμη, ακόμη και μια πολύ μικρή μικρο-ρωγμή μπορεί να επεκταθεί και να διαδοθεί, προκαλώντας καταστροφικό σπάσιμο, το οποίο μειώνει σημαντικά τη δύναμη θραύσης της ίνας (περίπου το 1/4 της θεωρητικής τιμής). Επομένως, από την ανάπτυξη έως την{18}}εφαρμογή οπτικών ινών μεγάλης κλίμακας, έχει επενδυθεί σημαντική προσπάθεια, πόροι και χρηματοδότηση για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων. Επί του παρόντος, τα τμήματα έρευνας, κατασκευής, καλωδίωσης και κατασκευής ερευνούν περαιτέρω πώς να βελτιώσουν την αντοχή σε εφελκυσμό και τη διάρκεια ζωής των οπτικών ινών.

Η αντοχή σε εφελκυσμό των εμπορικά διαθέσιμων οπτικών ινών δεν πρέπει να είναι μικρότερη από 2,35 N δύναμης εφελκυσμού. Επί του παρόντος, η αντοχή σε εφελκυσμό των εμπορικά διαθέσιμων οπτικών ινών έχει φτάσει το 0,5% καταπόνηση ή 432 g εφελκυστικής δύναμης. Οι εγχώρια χρησιμοποιούμενες οπτικές ίνες για μηχανολογικά έργα έχουν γενικά αντοχή εφελκυσμού μεγαλύτερη από 400 g εφελκυστικής δύναμης. Οι καλύτερης ποιότητας ξένες οπτικές ίνες έχουν αντοχές εφελκυσμού που υπερβαίνουν τα 700 g εφελκυστικής δύναμης και οι ίνες που χρησιμοποιούνται για υποβρύχια καλώδια απαιτούν ακόμη υψηλότερες αντοχές. Αυτές οι απαιτήσεις για την αντοχή σε εφελκυσμό των οπτικών ινών επιτυγχάνονται μέσω μεθόδων διαλογής κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κατασκευής ινών.

Η διάρκεια ζωής της οπτικής ίνας αναφέρεται συνήθως ως η διάρκεια ζωής της. Από την άποψη της μηχανικής απόδοσης, η διάρκεια ζωής αναφέρεται στη διάρκεια ζωής του κατάγματος. Στην κατασκευή και τη μηχανική οπτικών ινών και καλωδίων, σχεδιάζεται γενικά μια διάρκεια ζωής 20 ετών. Ωστόσο, η πραγματική διάρκεια ζωής των οπτικών ινών δεν είναι απολύτως συνεπής λόγω της επίδρασης του περιβάλλοντος λειτουργίας (όπως η θερμοκρασία, η υγρασία και η στατική και δυναμική κόπωση). Οι τρέχουσες εκτιμήσεις υποδεικνύουν ότι οι οπτικές ίνες που έχουν σχεδιαστεί για διάρκεια ζωής 20 ετών μπορεί στην πραγματικότητα να διαρκέσουν 30 έως 40 χρόνια.

Θερμοκρασιακά χαρακτηριστικά οπτικών ινών

Τα χαρακτηριστικά θερμοκρασίας της οπτικής ίνας αναφέρονται στην επίδραση των υψηλών και χαμηλών θερμοκρασιών στην απώλεια ινών, με αποτέλεσμα γενικά την αύξηση της απώλειας. Η απώλεια ινών αυξάνεται τόσο σε συνθήκες υψηλής όσο και σε συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας επειδή τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην επίστρωση και την επένδυση ινών είναι οργανικές ρητίνες και πλαστικά, τα οποία έχουν πολύ μεγαλύτερους συντελεστές συστολής και διαστολής από τον χαλαζία. Επομένως, σε χαμηλές θερμοκρασίες, η ίνα υφίσταται αξονική θλιπτική δύναμη, προκαλώντας μικρο-κάμψη, ενώ σε υψηλές θερμοκρασίες, υφίσταται δύναμη αξονικής επιμήκυνσης, δημιουργώντας τάση και οδηγεί σε αυξημένες απώλειες. Τα χαρακτηριστικά θερμοκρασίας της οπτικής ίνας δείχνουν ότι όσο μειώνεται η θερμοκρασία, αυξάνεται και η απώλεια ινών. Όταν η θερμοκρασία πέσει στους -55 βαθμούς περίπου, η απώλεια αυξάνεται δραματικά, καθιστώντας το σύστημα άχρηστο. Επί του παρόντος, τα χαρακτηριστικά χαμηλής{10} θερμοκρασίας των οπτικών ινών έχουν φτάσει σε καλό επίπεδο. Γενικά, στους -20 βαθμούς, η αύξηση της απώλειας είναι μικρότερη από 0,1 dB/km και για ίνες υψηλής ποιότητας, είναι μικρότερη από 0,05 dB/km.

Η απόδοση των οπτικών ινών σε χαμηλή-θερμοκρασία είναι ζωτικής σημασίας. Για εναέρια οπτικά καλώδια και γραμμές στις βόρειες περιοχές, η κακή απόδοση χαμηλής- θερμοκρασίας θα επηρεάσει σοβαρά την ποιότητα της επικοινωνίας. Επομένως, κατά την κατασκευή οπτικών ινών, είναι σημαντικό να επιλέγονται τα κατάλληλα υλικά επίστρωσης και επένδυσης και να βελτιώνονται οι διαδικασίες. Στον μηχανολογικό σχεδιασμό, είναι επιτακτική η επιλογή οπτικών ινών με εξαιρετικά χαρακτηριστικά.