Geometriske og optiske egenskaper til optiske fibre
Geometriske egenskaper
De geometriske egenskapene tiloptiske fibreer nært knyttet til konstruksjon og tilkoblinger med lite-tap. Disse geometriske egenskapene inkluderer kjernediameter, kledningsdimensjoner, fiberkonsentrisitet og ikke-sirkularitet.
(1) Kjernediameter: Kjernediameter er et krav for multimodus optiske fibre. ITU-T spesifiserer kjernediameteren til multimodus optiske fibre som (50 ± 3) μm.
(2) Ytre diameter: Den ytre diameteren til den optiske fiberen refererer til diameteren til den bare fiberen. Uansett om det er multimodus eller enkelt-modusfiber, spesifiserer ITU-T den ytre diameteren til optiske fibre som brukes til kommunikasjon som (125 + 3) μm.
(3) Fiberkonsentrisitet og ut-av-sirkularitet: Konsentrisitet er forholdet mellom avstanden mellom kjernesenteret og kledningssenteret og kjernediameteren. Ut-av-sirkularitet inkluderer ut-av-sirkulæritet av kjernen og kledningen, og kan uttrykkes med følgende formel:
I formelen, Dmaksog Dminer de maksimale og minste diameterne til kjernen (kledning); Dcoer standard diameter på kjernen (kledning).
ITU-T spesifiserer at: konsentrisitetsfeilen til multimodusfiber skal være mindre enn 6 %; kjernen ikke-sirkularitet bør være mindre enn 6 % (inkludert enkelt-modus); kledningens ikke-sirkularitet bør være mindre enn 2 %; og konsentrisitetsfeilen til enkelt-modusfiber bør være 1μm.
Optiske egenskaper
De optiske egenskapene til optiske fibre er en avgjørende faktor som bestemmer deres overføringsytelse.
(1) Brytningsindeksfordeling: Brytningsindeksfordelingen til multimodusfibre bestemmer fiberbåndbredden og forbindelsestapet; brytningsindeksfordelingen til enkelt-modusfibre bestemmer valget av operasjonsbølgelengden. Den generelle formelen for brytningsindeksen til optiske fibre er:
I formelen er avstanden fra fiberaksen; n(0) er brytningsindeksen til fiberkjernen når r=0; g er brytningsindeksfordelingsindeksen, som har forskjellige verdier som resulterer i forskjellige brytningsindeksfordelinger, som vist i figur 2-2; er fiberkjerneradiusen (μm); og △er den relative brytningsindeksforskjellen.
Kjernebrytningsindeks: når r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)g]1/2
Kledningsbrytningsindeks: når r Større enn eller lik ,n=n(r)=n(0)[1-2△]1/2
(2) Den numeriske blenderåpningen (NA) til optisk fiber er nært knyttet til lyskildens koblingseffektivitet, fibertapsfølsomhet for mikrobøyning og båndbredde. En større numerisk blenderåpning letter koblingen, reduserer mikrobøyningsfølsomheten og resulterer i en smalere båndbredde. Den maksimale teoretiske numeriske blenderåpningen er definert som følger:
I formelen er n brytningsindeksen til den ensartede kjernen til trinn-indeksfiberen (brytningsindeksen n(0) til kjernesenteret til den graderte-indeksfiberen); ng er brytningsindeksen til den ensartede kledningen.
(3) Modusfeltdiameter Modusfeltdiameteren kan defineres ved overføringsfunksjonen til grunnmodusfeltet Ea, det vil si at bredden mellom to 1/é-punkter på kurven for forholdet mellom overføringsfunksjonen til grunnmodusfeltet Ea og den radielle r er modusfeltdiameteren.
Estimering av formfeltdiameter:2S.=2入/(πn√△)
I enkelt-modusfiber brukes modusfeltdiameteren i stedet for kjernediameteren. Årsaken er at fibre med samme kjernediameter vil ha forskjellige modusfeltfordelinger under forskjellige brytningsindeksfordelinger, og overføringsytelsen til fiberen avhenger av modusfeltfordelingen.
For konstruksjon, hvis modusfeltdiameteren ikke stemmer overens i fiberforbindelsen, vil et stort avvik øke forbindelsestapet. ITU-T spesifiserer modusfeltdiameteren som (9-10) ± 1 μm.
(4) Cutoff-bølgelengde (single-Mode Transmission Condition) Cutoff-bølgelengden er betingelsen for enkelt-modusfiber for å garantere enkelt-modus-overføring. Utover denne bølgelengden forplanter seg ikke lenger den andre-ordens LP-modus. Cutoff-bølgelengden skiller seg fra andre parametere ved at den ikke er konstant, men endres med lengden. Dette krever at cutoff-bølgelengden til enkelt-modusfiberen er mindre enn driftsbølgelengden til det optiske kommunikasjonssystemet. For øyeblikket er avskjæringsbølgelengden for enkelt-modusfiber 1,10~1,28µm, bestemt av den relative brytningsindeksforskjellen Δ og tverrsnittsformen.
Ikke-lineære effekter av optiske fibre
I dagens tette bølgelengdedelingsmultipleksing (DWDM) høy-kapasitet, høyhastighets optisk fiberkommunikasjonssystemer med erbium-dopede fiberforsterkere, overfører de optiske fibrene flere bølgelengder og høy effekt. Denne høye optiske kraften kan forårsake ulike ikke-lineære effekter på grunn av samspillet mellom signalet og fiberen. Hvis disse ikke-lineære effektene ikke undertrykkes ordentlig, kan de påvirke systemytelsen alvorlig og begrense den regenererbare repeateravstanden. Linearitet eller ikke-linearitet refererer til egenskapene til lys i transmisjonsmediet, ikke egenskapene til lyset i seg selv. Tilstedeværelsen av et optisk felt endrer imidlertid egenskapene til mediet. Når et medium utsettes for et sterkt optisk felt, forskyves eller vibrerer elektronene i atomene eller molekylene som utgjør mediet, og forårsaker polarisering. Dipolbølger vises i det polariserte mediet, og disse dipolene utstråler elektromagnetiske bølger med samme frekvens, som er lagt over det opprinnelige innfallsfeltet, og blir det totale optiske feltet i mediet. Dette viser at endringer i mediets egenskaper igjen påvirker det optiske feltet.
De ikke-lineære effektene av optiske fibre kan deles inn i to kategorier: stimulert spredning og brytningsindeksforstyrrelse.
◇ Stimulert spredning forekommer i modulerte systemer der optiske signaler samhandler med akustiske bølger eller systemvibrasjoner i optiske fibre; det vil si at det optiske feltet overfører noe energi til det ikke-lineære mediet. Stimulert Raman-spredning og stimulert Brillouin-spredning tilhører denne kategorien.
Stimulert Raman-spredning (SRS) er forårsaket av modulering (interaksjon) av molekylære vibrasjoner i mediet på innfallende lys (kalt pumpelys), noe som resulterer i spredning av det innfallende lyset. La frekvensen til det innfallende lyset være , og frekvensen til mediets molekylære vibrasjoner være ν, da er frekvensene til det spredte lyset ∞=∞∞ og ν=∞, +∞. Dette fenomenet kalles stimulert Raman-spredning. Det spredte lyset med en frekvens på ∞ kalles en Stokes-bølge; det spredte lyset med frekvensen ν kalles en anti-Stokes-bølge.
◇ Under lav optisk effekt forblir brytningsindeksen til silikaglassfiber konstant på grunn av forstyrrelse av brytningsindeksen. Men når du bruker en ballastfiberforsterker for å oppnå høy optisk effekt, kan endring av intensiteten til det overførte signalet indusere en endring i fiberens brytningsindeks. Tre ikke-lineære effekter forårsaket av brytningsindeksforstyrrelser er selv-fasemodulasjon (SPM), kryss-fasemodulasjon (CPM) og fire-bølgemiksing.
Selv-fasemodulasjon (SPM) refererer til fenomenet der fasen til den optiske pulsen endres under overføring, noe som fører til pulsspektral utvidelse. SPM er nært knyttet til selv-fokusering; hvis det er alvorlig, i DWDM-systemer (dense wavelength division multiplexing), kan spektral utvidelse overlappe inn til tilstøtende kanaler.
Mekaniske og temperaturegenskaper til optiske fibre
Mekaniske egenskaper til optiske fibre
De mekaniske egenskapene til optiske fibre er avgjørende. Optiske kvartsfibre som brukes i kommunikasjon er tynne glassfilamenter med en ytre diameter på omtrent 125 μm. Glass er et svært hardt, ikke-duktilt og sprøtt materiale. Styrkegrensen bestemmes av bindingskraften til Si-O-bindingene i strukturen. Teoretisk sett er spenningen som kreves for å bryte Si-O-atombindinger estimert til 19600–24500 N/mm², derfor kan en optisk fiber med en ytre diameter på omtrent 125 μm tåle en strekkstyrke på 294 N. Imidlertid eksisterer det uunngåelig sprekker på overflaten eller innsiden av optiske fibre. Når fiberen utsettes for ytre kraft, kan selv en veldig liten mikro-sprekke utvide seg og forplante seg, noe som forårsaker et katastrofalt brudd, som kraftig reduserer fiberens bruddstyrke (omtrent 1/4 av den teoretiske verdien). Derfor har det blitt investert betydelig innsats, ressurser og finansiering for å overvinne disse utfordringene fra utviklingen til den{18}}storskala bruken av optiske fibre. For tiden undersøker forsknings-, produksjons-, kablings- og konstruksjonsavdelinger ytterligere hvordan man kan forbedre strekkstyrken og levetiden til optiske fibre.
Strekkstyrken til kommersielt tilgjengelige optiske fibre må ikke være mindre enn 2,35 N strekkkraft. For tiden har strekkstyrken til kommersielt tilgjengelige optiske fibre nådd 0,5 % tøyning, eller 432 g strekkkraft. Hjemmebrukte optiske fibre for ingeniørprosjekter har generelt en strekkstyrke større enn 400 g strekkkraft. Fremmede optiske fibre av bedre kvalitet har strekkstyrker som overstiger 700 g strekkkraft, og fibre som brukes til undersjøiske kabler krever enda høyere styrker. Disse kravene til strekkstyrken til optiske fibre oppnås gjennom skjermingsmetoder under fiberfremstillingsprosessen.
Levetiden til optisk fiber blir ofte referert til som levetiden. Fra et mekanisk ytelsesperspektiv refererer levetid til bruddlevetiden. Ved produksjon og konstruksjon av optiske fibre og kabler er det generelt utformet en levetid på 20 år. Den faktiske levetiden til optiske fibre er imidlertid ikke helt konsistent på grunn av påvirkningen fra driftsmiljøet (som temperatur, fuktighet og statisk og dynamisk tretthet). Nåværende estimater tyder på at optiske fibre designet for en 20-års levetid faktisk kan vare 30 til 40 år.
Temperaturkarakteristikker til optiske fibre
Temperaturegenskapene til optisk fiber refererer til virkningen av høye og lave temperaturer på fibertapet, noe som vanligvis resulterer i økt tap. Fibertapet øker under både høye og lave temperaturforhold fordi materialene som brukes i fiberbelegget og kledningen er organiske harpikser og plast, som har mye større kontraksjons- og ekspansjonskoeffisienter enn kvarts. Derfor, ved lave temperaturer, opplever fiberen aksial trykkkraft, noe som forårsaker mikro-bøyning, mens den ved høye temperaturer opplever aksial forlengelseskraft, genererer stress og fører til økt tap. Temperaturkarakteristikkene til optisk fiber viser at når temperaturen synker, øker også fibertapet. Når temperaturen synker til rundt -55 grader, øker tapet dramatisk, noe som gjør systemet ubrukelig. For øyeblikket har de lave{10}}temperaturegenskapene til optiske fibre nådd et godt nivå. generelt, ved -20 grader, er tapsøkningen mindre enn 0,1dB/km, og for høykvalitetsfibre er den mindre enn 0,05dB/km.
Lav-temperaturytelsen til optiske fibre er avgjørende. For optiske luftkabler og linjer i nordlige regioner vil dårlig ytelse ved lav-temperatur ha en alvorlig innvirkning på kommunikasjonskvaliteten. Derfor, under produksjon av optisk fiber, er det viktig å velge passende belegg- og kledningsmaterialer og forbedre prosessene. I ingeniørdesign er det viktig å velge optiske fibre med utmerkede egenskaper.
