Optisko šķiedru ģeometriskās un optiskās īpašības
Ģeometriskās īpašības
ģeometriskās īpašībasoptiskās šķiedrasir cieši saistīti ar būvniecību un zemu{0}}zaudējumu savienojumiem. Šie ģeometriskie raksturlielumi ietver serdes diametru, apšuvuma izmērus, šķiedru koncentriskumu un ne-apļojumu.
(1) Serdes diametrs: serdes diametrs ir prasība daudzmodu optiskajām šķiedrām. ITU-T nosaka daudzmodu optisko šķiedru serdes diametru kā (50 ± 3) μm.
(2) Ārējais diametrs: optiskās šķiedras ārējais diametrs attiecas uz tukšās šķiedras diametru. Neatkarīgi no tā, vai tā ir daudzmodu vai viena -moda šķiedra, ITU-T nosaka saziņai izmantoto optisko šķiedru ārējo diametru kā (125 + 3) μm.
(3) Šķiedras koncentriskums un ārpus-apļa{2}}: koncentriskums ir attāluma attiecība starp serdes centru un apšuvuma centru pret serdes diametru. Ārpus-apļainība ietver serdes un apšuvuma-ārpus-apļojumu, un to var izteikt ar šādu formulu:
Formulā Dmaksun Dminir serdes (apšuvuma) maksimālais un minimālais diametrs; Dcoir serdes (apšuvuma) standarta diametrs.
ITU-T nosaka, ka: daudzmodu šķiedras koncentriskuma kļūdai jābūt mazākai par 6%; kodola ne-cirkularitātei ir jābūt mazākai par 6% (ieskaitot vienu-režīmu); apšuvuma ne{5}}apļveida pakāpei jābūt mazākai par 2%; un viena -moda šķiedras koncentriskuma kļūdai jābūt 1 μm.
Optiskās īpašības
Optisko šķiedru optiskās īpašības ir būtisks faktors, kas nosaka to pārraides veiktspēju.
(1) Refrakcijas indeksa sadalījums: daudzmodu šķiedru refrakcijas indeksa sadalījums nosaka šķiedras joslas platumu un savienojuma zudumu; viena moda šķiedru refrakcijas indeksa sadalījums nosaka darba viļņa garuma izvēli. Optisko šķiedru refrakcijas indeksa vispārējā formula ir:
Formulā ir attālums no šķiedras ass; n(0) ir šķiedras kodola laušanas koeficients, kad r=0; g ir refrakcijas indeksa sadalījuma indekss, kuram ir dažādas vērtības, kā rezultātā ir dažādi refrakcijas indeksa sadalījumi, kā parādīts 2-2. ir šķiedras serdes rādiuss (μm); un △ ir relatīvā refrakcijas koeficienta atšķirība.
Kodola laušanas koeficients: kad r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)g]1/2
Apšuvuma laušanas koeficients: ja r ir lielāks vai vienāds ar ,n=n(r)=n(0)[1-2△]1/2
(2) Optiskās šķiedras skaitliskā apertūra (NA) ir cieši saistīta ar gaismas avota savienojuma efektivitāti, šķiedru zuduma jutību pret mikrolocīšanu un joslas platumu. Lielāka skaitliskā diafragma atvieglo savienošanu, samazina mikrolieces jutību un rada šaurāku joslas platumu. Maksimālā teorētiskā skaitliskā apertūra ir definēta šādi:
Formulā n ir pakāpeniskās-indeksa šķiedras vienmērīgā kodola laušanas koeficients (gradētās-indeksa šķiedras kodola centra laušanas koeficients n(0); ng ir vienmērīga apšuvuma laušanas koeficients.
(3) Režīmu lauka diametrs Režīma lauka diametru var definēt ar pamatrežīmu lauka Ea pārneses funkciju, tas ir, platums starp diviem 1/é punktiem līknē, kas nosaka attiecības starp pamatrežīmu lauka Ea un radiālo r pārneses funkciju, ir režīma lauka diametrs.
Veidnes lauka diametra novērtējums: 2S.=2入/(πn√△)
Vienmoda{0}}šķiedrā serdes diametra vietā tiek izmantots režīma lauka diametrs. Iemesls ir tāds, ka šķiedrām ar vienādu serdes diametru būs atšķirīgs režīmu lauka sadalījums dažādos refrakcijas indeksa sadalījumos, un šķiedras pārraides veiktspēja ir atkarīga no režīma lauka sadalījuma.
Būvniecībā, ja režīma lauka diametrs šķiedras savienojumā nav saskaņots, liela novirze palielinās savienojuma zudumu. ITU-T nosaka režīma lauka diametru kā (9-10) ± 1 μm.
(4) Nogriešanas viļņa garums (viena-režīma pārraides nosacījums) Nogriešanas viļņa garums ir nosacījums viena-režīma šķiedrai, lai garantētu viena-režīma pārraidi. Pārsniedzot šo viļņa garumu, otrās -kārtības LP režīms vairs neizplatās. Nogriešanas viļņa garums atšķiras no citiem parametriem ar to, ka tas nav nemainīgs, bet mainās atkarībā no garuma. Tam ir nepieciešams, lai viena -moda šķiedras viļņa garums būtu mazāks par optiskās sakaru sistēmas darbības viļņa garumu. Pašlaik vienmoda šķiedras robežviļņa garums ir 1,10–1,28 µm, ko nosaka relatīvā refrakcijas koeficienta atšķirība Δ un šķērsgriezuma forma.
Optisko šķiedru nelineārie efekti
Mūsdienu blīvās viļņa garuma dalīšanas multipleksēšanas (DWDM) augstas{0}}jaudas, ātrdarbīgas-optisko šķiedru sakaru sistēmās ar erbija-leģētiem šķiedru pastiprinātājiem optiskās šķiedras pārraida vairākus viļņu garumus un lielu jaudu. Šī augstā optiskā jauda var izraisīt dažādus nelineārus efektus signāla un šķiedras mijiedarbības dēļ. Ja šie nelineārie efekti netiek pienācīgi nomākti, tie var nopietni ietekmēt sistēmas veiktspēju un ierobežot reģenerējamo atkārtotāja attālumu. Linearitāte vai nelinearitāte attiecas uz gaismas īpašībām pārraides vidē, nevis uz pašas gaismas īpašībām. Tomēr optiskā lauka klātbūtne maina vides īpašības. Kad barotne tiek pakļauta spēcīgam optiskajam laukam, elektroni atomos vai molekulās, kas veido vidi, nobīdās vai vibrē, izraisot polarizāciju. Dipola viļņi parādās polarizētajā vidē, un šie dipoli izstaro tādas pašas frekvences elektromagnētiskos viļņus, kas tiek uzklāti uz sākotnējā krītošā lauka, kļūstot par kopējo optisko lauku vidē. Tas parāda, ka vides īpašību izmaiņas savukārt ietekmē optisko lauku.
Optisko šķiedru nelineāros efektus var iedalīt divās kategorijās: stimulētā izkliede un refrakcijas indeksa traucējumi.
◇Stimulētā izkliede notiek modulētās sistēmās, kur optiskie signāli mijiedarbojas ar akustiskajiem viļņiem vai sistēmas vibrācijām optiskajās šķiedrās; tas ir, optiskais lauks nodod daļu enerģijas nelineārajai videi. Šajā kategorijā ietilpst stimulētā Ramana izkliede un stimulētā Briljuina izkliede.
Stimulēto Ramana izkliedi (SRS) izraisa molekulāro vibrāciju modulācija (mijiedarbība) vidē uz krītošas gaismas (ko sauc par sūkņa gaismu), kā rezultātā notiek krītošās gaismas izkliede. Ja krītošās gaismas frekvence ir , bet vides molekulāro vibrāciju frekvence ir ν, tad izkliedētās gaismas frekvences ir ∞=∞∞ un ν=∞, +∞. Šo parādību sauc par stimulēto Ramana izkliedi. Izkliedēto gaismu ar frekvenci ∞ sauc par Stoksa vilni; izkliedēto gaismu ar frekvenci ν sauc par anti-Stoksa vilni.
◇ Zemas optiskās jaudas apstākļos silīcija dioksīda stikla šķiedras laušanas koeficients paliek nemainīgs refrakcijas indeksa traucējumu dēļ. Tomēr, izmantojot balasta šķiedras pastiprinātāju, lai iegūtu lielu optisko jaudu, pārraidītā signāla intensitātes maiņa var izraisīt šķiedras refrakcijas indeksa izmaiņas. Trīs nelineārie efekti, ko izraisa refrakcijas indeksa traucējumi, ir paš-fāzes modulācija (SPM), šķērs-fāzes modulācija (MPM) un četru-viļņu sajaukšana.
Paš{0}}fāzes modulācija (SPM) attiecas uz parādību, kad pārraides laikā mainās optiskā impulsa fāze, izraisot impulsa spektra paplašināšanos. SPM ir cieši saistīts ar paš-koncentrēšanos; ja tā ir smaga, blīvās viļņa garuma dalīšanas multipleksēšanas (DWDM) sistēmās spektrālā paplašināšanās var pārklāties blakus kanālos.
Optisko šķiedru mehāniskās un temperatūras īpašības
Optisko šķiedru mehāniskās īpašības
Optisko šķiedru mehāniskajām īpašībām ir izšķiroša nozīme. Komunikācijā izmantotās kvarca optiskās šķiedras ir plāni stikla pavedieni ar ārējo diametru aptuveni 125 μm. Stikls ir ļoti ciets, ne-kaļams un trausls materiāls. Tās stiprības robežu nosaka Si-O saišu savienošanas spēks tās struktūrā. Teorētiski Si-O atomu saišu pārraušanai nepieciešamais spriegums tiek lēsts 19600–24500 N/mm², tāpēc optiskā šķiedra ar ārējo diametru aptuveni 125 μm var izturēt 294 N stiepes izturību. Tomēr uz faktiskās optiskās šķiedras virsmas vai iekšpusē neizbēgami pastāv plaisas. Kad šķiedra tiek pakļauta ārējam spēkam, pat ļoti maza mikro{14}}plaisa var izplesties un izplatīties, izraisot katastrofālu pārrāvumu, kas ievērojami samazina šķiedras pārrāvuma izturību (aptuveni 1/4 no teorētiskās vērtības). Tāpēc, sākot no optisko šķiedru izstrādes līdz plaša mēroga-pielietojumam, ir ieguldīts ievērojams darbs, resursi un finansējums, lai pārvarētu šīs problēmas. Pašlaik pētniecības, ražošanas, kabeļu un būvniecības nodaļas turpina pētīt, kā uzlabot optisko šķiedru stiepes izturību un kalpošanas laiku.
Tirdzniecībā pieejamo optisko šķiedru stiepes izturībai jābūt ne mazākai par 2,35 N stiepes spēka. Šobrīd komerciāli pieejamo optisko šķiedru stiepes izturība ir sasniegusi 0,5% deformācijas jeb 432 g stiepes spēka. Sadzīvē izmantotajām optiskajām šķiedrām inženierprojektos parasti stiepes izturība ir lielāka par 400 g stiepes spēka. Labākas kvalitātes ārvalstu optiskajām šķiedrām stiepes izturība pārsniedz 700 g stiepes spēka, un zemūdens kabeļiem izmantotajām šķiedrām ir vajadzīgas vēl lielākas stiprības. Šīs prasības attiecībā uz optisko šķiedru stiepes izturību tiek sasniegtas, izmantojot skrīninga metodes šķiedru ražošanas procesā.
Optiskās šķiedras kalpošanas laiku parasti sauc par tās kalpošanas laiku. No mehāniskās veiktspējas viedokļa kalpošanas laiks attiecas uz tā lūzuma ilgumu. Optisko šķiedru un kabeļu ražošanā un projektēšanā parasti ir paredzēts 20 gadu kalpošanas laiks. Tomēr optisko šķiedru faktiskais kalpošanas laiks nav pilnībā konsekvents darbības vides (piemēram, temperatūras, mitruma un statiskā un dinamiskā noguruma) ietekmes dēļ. Pašreizējie aprēķini liecina, ka optiskās šķiedras, kas paredzētas 20 gadu kalpošanas laikam, faktiski var kalpot 30 līdz 40 gadus.
Optisko šķiedru temperatūras raksturlielumi
Optiskās šķiedras temperatūras raksturlielumi attiecas uz augstas un zemas temperatūras ietekmi uz šķiedras zudumiem, kā rezultātā parasti palielinās zudumi. Šķiedru zudumi palielinās gan augstas, gan zemas temperatūras apstākļos, jo šķiedru pārklājumā un apšuvumā izmantotie materiāli ir organiskie sveķi un plastmasa, kam ir daudz lielāki saraušanās un izplešanās koeficienti nekā kvarcam. Tāpēc zemā temperatūrā šķiedra piedzīvo aksiālu saspiešanas spēku, izraisot mikro-liecību, savukārt augstā temperatūrā tā piedzīvo aksiālu pagarinājuma spēku, radot spriegumu un palielinot zudumus. Optiskās šķiedras temperatūras raksturlielumi liecina, ka, temperatūrai pazeminoties, palielinās arī šķiedru zudumi. Kad temperatūra pazeminās līdz aptuveni -55 grādiem, zudumi ievērojami palielinās, padarot sistēmu nelietojamu. Pašlaik optisko šķiedru zemās temperatūras{10}}temperatūras rādītāji ir sasnieguši labu līmeni; parasti pie -20 grādiem zudumu pieaugums ir mazāks par 0,1 dB/km, bet augstas kvalitātes šķiedrām tas ir mazāks par 0,05 dB/km.
Optisko šķiedru zemā{0}}temperatūras veiktspēja ir ļoti svarīga. Gaisvadu optiskajiem kabeļiem un līnijām ziemeļu reģionos slikta zemas-temperatūras veiktspēja nopietni ietekmēs sakaru kvalitāti. Tāpēc optisko šķiedru ražošanas laikā ir svarīgi izvēlēties atbilstošus pārklājuma un apšuvuma materiālus un uzlabot procesus. Inženierprojektēšanā obligāti jāizvēlas optiskās šķiedras ar izcilām īpašībām.
