Optisten kuitujen ominaisuudet (osa 2)

Optisten kuitujen geometriset ja optiset ominaisuudet

Geometriset ominaisuudet

Geometriset ominaisuudetoptiset kuidutliittyvät läheisesti rakentamiseen ja pienihäviöllisiin{0}}yhteyksiin. Näitä geometrisia ominaisuuksia ovat ytimen halkaisija, päällysteen mitat, kuidun samankeskisyys ja ei--pyöreisyys.

(1) Ytimen halkaisija: Ytimen halkaisija on vaatimus monimuotooptisille kuiduille. ITU-T määrittää monimuotoisten valokuitujen ytimen halkaisijaksi (50 ± 3) μm.

(2) Ulkohalkaisija: Optisen kuidun ulkohalkaisija viittaa paljaan kuidun halkaisijaan. Riippumatta siitä, onko kyseessä monimuoto- vai yksimuotokuitu, ITU-T määrittää tiedonsiirtoon käytettävien optisten kuitujen ulkohalkaisijaksi (125 + 3) μm.

(3) Kuitujen samankeskisyys ja pyöreä-on-: Samakeskeisyys on ytimen keskipisteen ja verhouksen keskipisteen välisen etäisyyden suhde ytimen halkaisijaan. Epäpyöreisyys sisältää ytimen ja päällysteen ulko-pyöreyden, ja se voidaan ilmaista seuraavalla kaavalla:

Kaavassa D_maxja D_minovat ytimen (verhouksen) suurin ja pienin halkaisijat; D_coon sydämen (verhouksen) standardihalkaisija.

ITU-T määrittää, että: monimuotokuidun samankeskisyysvirheen tulee olla alle 6 %; ytimen ei--pyöreyden tulee olla alle 6 % (mukaan lukien yksi-tila); verhouksen ei-{5}}pyöreyden tulee olla alle 2 %; ja yksimuotokuidun samankeskisyysvirheen- tulisi olla 1 μm.

Optiset ominaisuudet

Optisten kuitujen optiset ominaisuudet ovat ratkaiseva tekijä, joka määrää niiden lähetystehoa.

(1) Taitekerroinjakauma: Monimuotokuitujen taitekerroinjakauma määrittää kuidun kaistanleveyden ja yhteyshäviön; yksimuotoisten kuitujen taitekerroinjakauma määrittää toiminta-aallonpituuden valinnan. Optisten kuitujen taitekertoimen yleinen kaava on:

Kaavassa on etäisyys kuidun akselista; n(0) on kuidun ytimen taitekerroin, kun r=0; g on taitekertoimen jakautumisindeksi, jolla on erilaiset arvot, jotka johtavat erilaisiin taitekerroinjakaumiin, kuten kuvassa 2-2 on esitetty; on kuidun ytimen säde (μm); ja △ on suhteellinen taitekerroinero.

Ytimen taitekerroin: kun r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)^g]^1/2
Päällysteen taitekerroin: kun r suurempi tai yhtä suuri kuin ,n=n(r)=n(0)[1-2△]^1/2

(2) Optisen kuidun numeerinen aukko (NA) liittyy läheisesti valonlähteen kytkentätehokkuuteen, kuituhäviön herkkyyteen mikrotaivuttamiselle ja kaistanleveyteen. Suurempi numeerinen aukko helpottaa kytkentää, vähentää mikrotaivutusherkkyyttä ja johtaa kapeampaan kaistanleveyteen. Suurin teoreettinen numeerinen aukko määritellään seuraavasti:

Kaavassa n on askel-indeksikuidun tasaisen ytimen taitekerroin (askeloidun-indeksikuidun ydinkeskuksen taitekerroin n(0)); ng on tasaisen verhouksen taitekerroin.

(3) Moodin kentän halkaisija Moodin kentän halkaisija voidaan määrittää perusmoodikentän Ea siirtofunktiolla, eli kahden 1/é pisteen välinen leveys perusmoodikentän Ea siirtofunktion ja säteittäisen r välisen suhteen käyrällä on moodikentän halkaisija.

Muotikentän halkaisijan arvio: 2S.=2入/(πn√△)

Yksimuotokuidussa{0}}moodikentän halkaisijaa käytetään ytimen halkaisijan sijaan. Syynä on se, että kuiduilla, joilla on sama ytimen halkaisija, on erilaiset moodikenttäjakaumat erilaisissa taitekerroinjakaumissa, ja kuidun lähetyskyky riippuu moodikenttäjakaumasta.

Rakentamisessa, jos moodikentän halkaisija ei täsmää kuituliitännässä, suuri poikkeama lisää yhteyshäviötä. ITU-T määrittää tilakentän halkaisijaksi (9-10) ± 1 μm.

(4) Katkaisuaallonpituus (Yksi-Mode Transmission Condition) Katkaisuaallonpituus on yksi-muotokuidun ehto, joka takaa yksimuotoisen-lähetyksen. Tämän aallonpituuden ulkopuolella toisen-kertaluvun LP-tila ei enää leviä. Raja-aallonpituus eroaa muista parametreista siinä, että se ei ole vakio, vaan muuttuu pituuden mukaan. Tämä edellyttää, että yksimuotokuidun katkaisuaallonpituus on pienempi kuin optisen viestintäjärjestelmän toiminta-aallonpituus. Tällä hetkellä yksimuotokuidun raja-aallonpituus on 1,10-1,28 µm, joka määräytyy suhteellisen taitekertoimen eron Δ ja poikkileikkauksen muodon perusteella.

Optisten kuitujen epälineaariset vaikutukset

Nykypäivän tiheässä aallonpituusjakomultipleksoinnissa (DWDM) korkean{0}}kapasiteetin,-nopeiden optisten kuitujen viestintäjärjestelmissä, joissa on erbium-seostettuja kuituvahvistimia, optiset kuidut lähettävät useita aallonpituuksia ja suurta tehoa. Tämä korkea optinen teho voi aiheuttaa erilaisia ​​epälineaarisia vaikutuksia signaalin ja kuidun välisen vuorovaikutuksen vuoksi. Jos näitä epälineaarisia vaikutuksia ei vaimenneta kunnolla, ne voivat vaikuttaa vakavasti järjestelmän suorituskykyyn ja rajoittaa regeneroitavan toistimen etäisyyttä. Lineaarisuus tai epälineaarisuus viittaa valon ominaisuuksiin siirtoväliaineessa, ei itse valon ominaisuuksiin. Optisen kentän läsnäolo muuttaa kuitenkin väliaineen ominaisuuksia. Kun väliaine joutuu voimakkaaseen optiseen kenttään, väliaineen muodostavien atomien tai molekyylien sisällä olevat elektronit siirtyvät tai värähtelevät aiheuttaen polarisaatiota. Dipoliaallot ilmestyvät polarisoituneeseen väliaineeseen, ja nämä dipolit säteilevät samantaajuisia sähkömagneettisia aaltoja, jotka ovat päällekkäin alkuperäisen tulevan kentän päällä, jolloin niistä tulee väliaineen kokonaisoptinen kenttä. Tämä osoittaa, että muutokset väliaineen ominaisuuksissa puolestaan ​​vaikuttavat optiseen kenttään.

Optisten kuitujen epälineaariset vaikutukset voidaan jakaa kahteen luokkaan: stimuloitu sironta ja taitekerroinhäiriö.

◇Stimuloitua sirontaa esiintyy moduloiduissa järjestelmissä, joissa optiset signaalit ovat vuorovaikutuksessa akustisten aaltojen tai järjestelmän värähtelyjen kanssa optisissa kuiduissa. eli optinen kenttä siirtää jonkin verran energiaa epälineaariseen väliaineeseen. Stimuloitu Raman-sironta ja stimuloitu Brillouin-sironta kuuluvat tähän luokkaan.

Stimuloitu Raman-sironta (SRS) johtuu molekyylivärähtelyjen modulaatiosta (vuorovaikutuksesta) väliaineessa tulevassa valossa (kutsutaan pumppuvaloksi), mikä johtaa tulevan valon siroamiseen. Olkoon tulevan valon taajuus ja väliaineen molekyylivärähtelyjen taajuus ν, jolloin sironneen valon taajuudet ovat ∞=∞∞ ja ν=∞, +∞. Tätä ilmiötä kutsutaan stimuloiduksi Raman-sironnaksi. Sironnutta valoa, jonka taajuus on ∞, kutsutaan Stokes-aaltoksi; sironnutta valoa, jonka taajuus on ν, kutsutaan anti-Stokes-aaltoksi.

◇ Pienellä optisella teholla piidioksidilasikuidun taitekerroin pysyy vakiona taitekertoimen häiriön vuoksi. Kuitenkin, kun käytetään painolastikuituvahvistinta korkean optisen tehon saamiseksi, lähetetyn signaalin intensiteetin muuttaminen voi aiheuttaa muutoksen kuidun taitekertoimessa. Kolme taitekerroinhäiriön aiheuttamaa epälineaarista vaikutusta ovat self-phase modulation (SPM), cross-phase modulation (CPM) ja neljän-aallon sekoitus.

Self{0}}phase modulation (SPM) viittaa ilmiöön, jossa optisen pulssin vaihe muuttuu lähetyksen aikana, mikä johtaa pulssin spektrin levenemiseen. SPM liittyy läheisesti itse-keskeytymiseen; jos se on vakavaa, DWDM-järjestelmissä spektrin laajeneminen voi mennä päällekkäin vierekkäisiksi kanaviksi.

Optisten kuitujen mekaaniset ja lämpötilaominaisuudet

Optisten kuitujen mekaaniset ominaisuudet

Valokuitujen mekaaniset ominaisuudet ovat ratkaisevia. Viestinnässä käytettävät kvartsioptiset kuidut ovat ohuita lasikuituja, joiden ulkohalkaisija on noin 125 μm. Lasi on erittäin kova, ei--muovaava ja hauras materiaali. Sen lujuusrajan määrää sen rakenteessa olevien Si-O-sidosten sidosvoima. Teoreettisesti Si-O-atomisidosten katkaisemiseen tarvittava jännitys on arviolta 19600–24500 N/mm², joten optinen kuitu, jonka ulkohalkaisija on noin 125 μm, kestää 294 N:n vetolujuuden. Varsinaisten valokuitujen pinnalla tai sisällä on kuitenkin väistämättä halkeamia. Kun kuituun kohdistuu ulkoinen voima, jopa hyvin pieni mikro-halkeama voi laajentua ja levitä aiheuttaen katastrofaalisen katkeamisen, mikä heikentää huomattavasti kuidun murtolujuutta (noin 1/4 teoreettisesta arvosta). Siksi näiden haasteiden voittamiseksi on investoitu merkittäviä ponnisteluja, resursseja ja rahoitusta optisten kuitujen kehittämisestä laajamittaiseen-sovellukseen. Tällä hetkellä tutkimus-, valmistus-, kaapelointi- ja rakennusosastot tutkivat edelleen, miten optisten kuitujen vetolujuutta ja käyttöikää voidaan parantaa.

Kaupallisesti saatavien optisten kuitujen vetolujuuden tulee olla vähintään 2,35 N vetovoimasta. Tällä hetkellä kaupallisesti saatavien optisten kuitujen vetolujuus on saavuttanut 0,5 % venymän eli 432 g vetovoimaa. Kotimaisesti käytettävien optisten kuitujen vetolujuus on yleensä suurempi kuin 400 g vetovoimaa. Laadukkaampien ulkomaisten optisten kuitujen vetolujuus ylittää 700 g vetovoimaa, ja merenalaisissa kaapeleissa käytettävät kuidut vaativat vielä suurempia lujuuksia. Nämä optisten kuitujen vetolujuuden vaatimukset saavutetaan kuidun valmistusprosessin aikaisilla seulontamenetelmillä.

Optisen kuidun käyttöikää kutsutaan yleisesti sen käyttöikääksi. Mekaanisen suorituskyvyn näkökulmasta käyttöikä tarkoittaa sen murtumisikää. Valokuitujen ja -kaapeleiden valmistuksessa ja suunnittelussa on yleensä suunniteltu 20 vuoden käyttöikä. Optisten kuitujen todellinen käyttöikä ei kuitenkaan ole täysin tasainen käyttöympäristön vaikutuksesta (kuten lämpötilan, kosteuden sekä staattisen ja dynaamisen väsymisen vuoksi). Nykyiset arviot viittaavat siihen, että 20 vuoden käyttöikään suunnitellut optiset kuidut voivat itse asiassa kestää 30–40 vuotta.

Optisten kuitujen lämpötilaominaisuudet

Optisen kuidun lämpötilaominaisuudet viittaavat korkeiden ja matalien lämpötilojen vaikutukseen kuituhäviöön, mikä yleensä johtaa lisääntyneeseen häviöön. Kuituhäviö kasvaa sekä korkeissa että matalissa lämpötiloissa, koska kuitupäällystys- ja -päällystemateriaalit ovat orgaanisia hartseja ja muoveja, joiden supistumis- ja laajenemiskertoimet ovat paljon suuremmat kuin kvartsilla. Tästä syystä kuitu kokee alhaisissa lämpötiloissa aksiaalista puristusvoimaa, joka aiheuttaa mikro-taiptumista, kun taas korkeissa lämpötiloissa se kokee aksiaalista venymisvoimaa, joka synnyttää jännitystä ja johtaa lisääntyneeseen häviön. Optisen kuidun lämpötilaominaisuudet osoittavat, että kun lämpötila laskee, myös kuituhäviö kasvaa. Kun lämpötila laskee noin -55 asteeseen, häviö kasvaa dramaattisesti, mikä tekee järjestelmästä käyttökelvottoman. Tällä hetkellä optisten kuitujen alhaisen lämpötilan ominaisuudet ovat saavuttaneet hyvän tason. yleensä -20 asteessa häviön lisäys on alle 0,1 dB/km, ja korkealaatuisten kuitujen tapauksessa se on alle 0,05 dB/km.

Optisten kuitujen suorituskyky alhaisessa lämpötilassa{0}} on ratkaisevan tärkeää. Pohjoisten alueiden optisten ilmakaapeleiden ja -linjojen heikko suorituskyky matalassa-lämpötiloissa vaikuttaa vakavasti viestinnän laatuun. Siksi valokuitujen valmistuksessa on tärkeää valita sopivat pinnoite- ja päällystysmateriaalit ja parantaa prosesseja. Teknisessä suunnittelussa on välttämätöntä valita optiset kuidut, joilla on erinomaiset ominaisuudet.