Egenskaper hos optiska fibrer (del 2)

Geometriska och optiska egenskaper hos optiska fibrer

Geometriska egenskaper

De geometriska egenskaperna hosoptiska fibrerär nära relaterade till konstruktion och anslutningar med låg-förlust. Dessa geometriska egenskaper inkluderar kärndiameter, beklädnadsdimensioner, fiberkoncentricitet och icke-cirkuläritet.

(1) Kärndiameter: Kärndiameter är ett krav för optiska multimodfibrer. ITU-T specificerar kärndiametern för optiska multimodfibrer som (50 ± 3) μm.

(2) Ytterdiameter: Den optiska fiberns yttre diameter avser diametern på den blotta fibern. Oavsett om det är flermodsfiber eller enkelmodsfiber- specificerar ITU-T ytterdiametern på optiska fibrer som används för kommunikation som (125 + 3) μm.

(3) Fiberkoncentricitet och ut-om-cirkularitet: Koncentricitet är förhållandet mellan avståndet mellan kärnans centrum och beklädnadens centrum och kärnans diameter. Ut-av-cirkuläritet inkluderar ut-av-cirkulärheten hos kärnan och beklädnaden, och kan uttryckas med följande formel:

I formeln, D_maxoch D_minär kärnans maximala och minsta diameter (beklädnad); D_coär standarddiametern på kärnan (beklädnad).

ITU-T specificerar att: koncentricitetsfelet för multimodfiber ska vara mindre än 6 %; kärnans icke-cirkuläritet bör vara mindre än 6 % (inklusive enkel-läge); beklädnadens icke-cirkulärhet bör vara mindre än 2 %; och koncentricitetsfelet för enkel-modfiber bör vara 1μm.

Optiska egenskaper

De optiska egenskaperna hos optiska fibrer är en avgörande faktor som bestämmer deras överföringsprestanda.

(1) Brytningsindexfördelning: Brytningsindexfördelningen för multimodfibrer bestämmer fiberbandbredden och anslutningsförlusten; brytningsindexfördelningen för enkel-modfibrer bestämmer valet av arbetsvåglängden. Den allmänna formeln för brytningsindex för optiska fibrer är:

I formeln är avståndet från fiberaxeln; n(0) är brytningsindex för fiberkärnan när r=0; g är brytningsindexfördelningsindex, som har olika värden vilket resulterar i olika brytningsindexfördelningar, som visas i figur 2-2; är fiberkärnan radie (μm); och △är den relativa brytningsindexskillnaden.

Kärnbrytningsindex: när r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)^g]^1/2
Beklädnadsbrytningsindex: när r Större än eller lika med ,n=n(r)=n(0)[1-2△]^1/2

(2) Den numeriska aperturen (NA) för optisk fiber är nära relaterad till ljuskällans kopplingseffektivitet, fiberförlustkänslighet för mikroböjning och bandbredd. En större numerisk bländare underlättar kopplingen, minskar mikroböjningskänsligheten och resulterar i en smalare bandbredd. Den maximala teoretiska numeriska bländaren definieras enligt följande:

I formeln är n brytningsindexet för den enhetliga kärnan i steg-indexfibern (brytningsindex n(0) för kärncentrum för den graderade-indexfibern); ng är brytningsindex för den enhetliga beklädnaden.

(3) Modfältsdiameter Modfältsdiametern kan definieras av överföringsfunktionen för grundmodsfältet Ea, det vill säga bredden mellan två 1/é-punkter på kurvan för förhållandet mellan överföringsfunktionen för grundlägesfältet Ea och det radiella r är modfältets diameter.

Uppskattning av formfältets diameter:2S.=2入/(πn√△)

I enkel-modfiber används modfältets diameter istället för kärndiametern. Anledningen är att fibrer med samma kärndiameter kommer att ha olika modfältsfördelningar under olika brytningsindexfördelningar, och fiberns transmissionsprestanda beror på modfältsfördelningen.

För konstruktion, om modfältsdiametern är felaktig i fiberanslutningen, kommer en stor avvikelse att öka anslutningsförlusten. ITU-T specificerar lägesfältets diameter som (9-10) ± 1 μm.

(4) Cutoff-våglängd (Single-Mode Transmission Condition) Cutoff-våglängden är villkoret för enkel-modfiber för att garantera enkel-modsöverföring. Bortom denna våglängd sprids inte längre den andra-ordningens LP-läge. Cutoff-våglängden skiljer sig från andra parametrar genom att den inte är konstant utan ändras med längden. Detta kräver att gränsvåglängden för enkel-modfibern är mindre än det optiska kommunikationssystemets driftsvåglängd. För närvarande är gränsvåglängden för enkelmodsfiber 1,10~1,28 µm, bestämt av den relativa brytningsindexskillnaden Δ och tvärsnittsformen.

Icke-linjära effekter av optiska fibrer

I dagens täta våglängdsdelningsmultiplexering (DWDM) hög-kapacitet, hög-höghastighet optisk fiberkommunikationssystem med erbium-dopade fiberförstärkare, sänder de optiska fibrerna flera våglängder och hög effekt. Denna höga optiska effekt kan orsaka olika olinjära effekter på grund av interaktionen mellan signalen och fibern. Om dessa olinjära effekter inte undertrycks ordentligt kan de allvarligt påverka systemets prestanda och begränsa det regenererbara repeateravståndet. Linjäritet eller olinjäritet hänvisar till ljusets egenskaper i transmissionsmediet, inte egenskaperna hos ljuset i sig. Närvaron av ett optiskt fält förändrar emellertid mediets egenskaper. När ett medium utsätts för ett starkt optiskt fält förskjuts eller vibrerar elektroner i atomerna eller molekylerna som utgör mediet, vilket orsakar polarisering. Dipolvågor uppträder i det polariserade mediet, och dessa dipoler utstrålar elektromagnetiska vågor med samma frekvens, vilka överlagras på det ursprungliga infallande fältet, och blir det totala optiska fältet i mediet. Detta visar att förändringar i mediets egenskaper i sin tur påverkar det optiska fältet.

De olinjära effekterna av optiska fibrer kan delas in i två kategorier: stimulerad spridning och störning av brytningsindex.

◇ Stimulerad spridning förekommer i modulerade system där optiska signaler interagerar med akustiska vågor eller systemvibrationer i optiska fibrer; det vill säga det optiska fältet överför viss energi till det olinjära mediet. Stimulerad Raman-spridning och stimulerad Brillouin-spridning tillhör denna kategori.

Stimulerad Raman-spridning (SRS) orsakas av moduleringen (interaktionen) av molekylära vibrationer i mediet på infallande ljus (kallat pumpljus), vilket resulterar i spridning av det infallande ljuset. Låt det infallande ljusets frekvens vara , och frekvensen för mediets molekylära vibrationer vara ν, då är frekvenserna för det spridda ljuset ∞=∞∞ och ν=∞, +∞. Detta fenomen kallas stimulerad Raman-spridning. Det spridda ljuset med frekvensen ∞ kallas en Stokes-våg; det spridda ljuset med frekvensen ν kallas en anti-Stokes-våg.

◇ Under låg optisk effekt förblir brytningsindexet för kiselglasfiber konstant på grund av störning av brytningsindex. Men när man använder en förstärkare med ballast för att erhålla hög optisk effekt, kan förändring av intensiteten hos den överförda signalen inducera en förändring i fiberns brytningsindex. Tre olinjära effekter orsakade av störning av brytningsindex är själv-fasmodulering (SPM), kors-fasmodulering (CPM) och fyra-vågsblandning.

Själv-fasmodulering (SPM) hänvisar till fenomenet där den optiska pulsens fas ändras under överföring, vilket leder till pulsspektralbreddning. SPM är nära relaterat till själv-fokusering; om det är allvarligt, i DWDM-system (dense wavelength division multiplexing) kan spektral breddning överlappa in i angränsande kanaler.

Mekaniska och temperaturegenskaper hos optiska fibrer

Mekaniska egenskaper hos optiska fibrer

De mekaniska egenskaperna hos optiska fibrer är avgörande. Optiska kvartsfibrer som används i kommunikation är tunna glasfilament med en ytterdiameter på cirka 125 μm. Glas är ett mycket hårt, icke-duktilt och sprött material. Dess hållfasthetsgräns bestäms av bindningskraften hos Si-O-bindningarna inom dess struktur. Teoretiskt sett uppskattas spänningen som krävs för att bryta Si-O-atombindningar till 19600–24500 N/mm², därför kan en optisk fiber med en ytterdiameter på cirka 125 μm motstå en draghållfasthet på 294 N. Men sprickor finns oundvikligen på ytan eller insidan av optiska fibrer. När fibern utsätts för yttre kraft kan även en mycket liten mikro-spricka expandera och fortplanta sig, vilket orsakar ett katastrofalt brott, vilket kraftigt minskar fiberns brotthållfasthet (ungefär 1/4 av det teoretiska värdet). Därför har betydande ansträngningar, resurser och finansiering investerats i att övervinna dessa utmaningar, från utvecklingen till den storskaliga-tillämpningen av optiska fibrer. För närvarande undersöker forsknings-, tillverknings-, kablage- och konstruktionsavdelningar ytterligare hur man kan förbättra draghållfastheten och livslängden för optiska fibrer.

Draghållfastheten hos kommersiellt tillgängliga optiska fibrer får inte vara mindre än 2,35 N dragkraft. För närvarande har draghållfastheten hos kommersiellt tillgängliga optiska fibrer nått 0,5 % töjning, eller 432 g dragkraft. Inhemska använda optiska fibrer för tekniska projekt har i allmänhet en draghållfasthet som är större än 400 g dragkraft. Främmande optiska fibrer av bättre kvalitet har en draghållfasthet som överstiger 700 g dragkraft, och fibrer som används för undervattenskablar kräver ännu högre hållfastheter. Dessa krav på draghållfasthet hos optiska fibrer uppnås genom screeningmetoder under fibertillverkningsprocessen.

Livslängden för optisk fiber kallas vanligtvis dess livslängd. Ur ett mekaniskt prestandaperspektiv avser livslängden dess brottlivslängd. Vid tillverkning och konstruktion av optiska fibrer och kablar är generellt en 20-årig livslängd utformad. Den faktiska livslängden för optiska fibrer är dock inte helt konsekvent på grund av påverkan från driftsmiljön (som temperatur, luftfuktighet och statisk och dynamisk utmattning). Aktuella uppskattningar tyder på att optiska fibrer designade för en 20-årig livslängd faktiskt kan hålla i 30 till 40 år.

Temperaturegenskaper hos optiska fibrer

Temperaturegenskaperna för optisk fiber hänvisar till inverkan av höga och låga temperaturer på fiberförlust, vilket i allmänhet resulterar i ökad förlust. Fiberförlusten ökar under både höga och låga temperaturförhållanden eftersom materialen som används i fiberbeläggningen och beklädnaden är organiska hartser och plaster, som har mycket större koefficienter för kontraktion och expansion än kvarts. Därför, vid låga temperaturer, upplever fibern axiell tryckkraft, vilket orsakar mikro-böjning, medan den vid höga temperaturer utsätts för axiell förlängningskraft, vilket genererar spänningar och leder till ökad förlust. Temperaturegenskaperna hos optisk fiber visar att när temperaturen sjunker ökar också fiberförlusten. När temperaturen sjunker till cirka -55 grader ökar förlusten dramatiskt, vilket gör systemet oanvändbart. För närvarande har de låga{10}}temperaturegenskaperna hos optiska fibrer nått en bra nivå. i allmänhet, vid -20 grader, är förlustökningen mindre än 0,1 dB/km, och för högkvalitativa fibrer är den mindre än 0,05 dB/km.

Den låga-temperaturprestandan hos optiska fibrer är avgörande. För optiska luftkablar och ledningar i norra regioner kommer dålig prestanda vid låga-temperaturer att allvarligt påverka kommunikationskvaliteten. Under tillverkningen av optiska fibrer är det därför viktigt att välja lämpliga beläggnings- och beklädnadsmaterial och förbättra processerna. I teknisk design är det absolut nödvändigt att välja optiska fibrer med utmärkta egenskaper.