2.1. Волны, частицы и электромагнитный спектр
2.2. Принцип действия волоконных световодов
2.3. Основные положения геометрической (лучевой) оптики при передаче света в волоконных световодах
2.3.1. Основы геометрической оптики
2.3.2. Анализ лучевого распространения света в волоконных световодах
2.4. Основные положения волновой теории передачи света по световодам
2.4.1. Основные понятия
2.4.2. Взаимодействие оптической волны со средой
2.4.3. Волновые уравнения
2.4.4. Граничные условия
2.4.5. Волновой анализ распространения мод
2.4.6. Глоговское группирование мод
2.5. Параметры оптических волокон
2.5.1. Геометрические и оптические параметры оптических волокон
2.5.2. Параметры передачи оптических волокон
2.5.3. Механические параметры оптических волокон
Световод.Оптоволокно: нити, кабель бокового и торцевого свечения, нити с насечками (STARFLEX)
Мы предлагаем оптоволоконные нити (световолокно) различного диаметра: от 0,25 до 3,00 мм производства Mitsubishi и Toray, а также кабели на их основе (EndGlow, SideGlow). Кроме этих компаний возможна поставка оптоволокна производства Тайвань И Китая . Цены на это оптоволокно ниже японских производителей соответственно на 25-30% и 30-40% . Но так как в окончательной цене проекта подсветки ,как правило стоимость оптоволокна уже не так велика ,то мы рекомендуем японских производителей.
Существуют два вида оптиковолоконного кабеля: световод Side-Glow (боковое свечение, side glow) и световод End-Glow (торцевое свечение, end glow).
Запатентованный кабель SideGlow — это кабель, испускающий свет по своей длине со всех сторон, состоящий из нескольких отдельных нитей покрытый прозрачной ПВХ-оболочкой, или из одного монокабеля в оболочке — так называемый Solid (монокабель). SideGlow доступен в широком спектре диаметров и моделей от 0.75 мм до 20 мм
Кабель световод EndGlow — это кабель, испускающий свет на торце (конце) кабеля, использующий ПММА-нити, как и кабель бокового свечения, за исключением лишь той разницы, что он покрыт непрозрачной чёрной или белой ПВХ-оплёткой. Оптоволокно торцевого свечения — это «сырьевое» волокно, продаваемое в отдельных нитях на катушке. Свет из конца, хотя можно наблюдать свечение и сбоку. Мы предлагаем множество приборов или светильников, предназначенных для подсветки кабеля, которые обеспечивают как декоративность, так и функциональность осветительной системы.
Одним из популярных видов продукции являются световоды- нити StarFlex — это световолоконные нити диаметром 0,5, 0,75, 1,0, 1,5, 2,0 мм, специально обработанные в заводских условиях: на них нанесены насечки лазером; они используются при изготовлении световых штор, люстр и т. д. Имеются нити, собранные вместе (по 3 шт. ø 0,50 или 0,75 мм) в прозрачной оболочке (Starflex 3/50, Starflex 3/75).
Советы по эксплуатации оптоволокна
Почему необходимо использовать именно оптико-волоконный кабель?Световод или оптоволоконный кабель представляет собой превосходную альтернативу неоновым и другим выпускаемым по традиции осветительным приборам, притом что в самом кабеле электрический ток отсутствует. За счёт использования цветового фильтра или цветового колеса в источнике света кабель, концы волокон или приборы могут менять цвет. Кабель испускает ничтожно малое количество теплоты или не источает его вообще, что идеально для использования в тех условиях, где нагрев из-за электричества представляет собой опасность: винные погреба, витрины, подводное пространство или помещения с высокой влажностью. Оптоволоконный кабель потребляет очень мало энергии: наш наиболее часто используемый светильник работает на 150-ваттной
Параметры оптических волокон
Рис. 2.25. Примеры неоднородностей в ОВ: а – некруглость; б – неконцентричность сердцевины и оболочки ОВ
Основными геометрическими параметрами ОВ являются: диаметр сердцевины; диаметр оболочки; диаметр защитного покрытия; некруглость (эллиптичность) сердцевины; некруглость оболочки; неконцентричность сердцевины и оболочки.
Некруглость сердцевины ОВ определяется как разность максимального и минимального диаметров сердцевины, деленная на номинальный диаметр сердцевины, и определяется только в многомодовых волокнах, некруглость оболочки — в многомодовых и одномодовых волокнах. Некруглость сердцевины ОВ (рис 2.25 а) определяется из выражения:
(2.64) где Нс — некруглость сердцевины, %; dмакс, dмин — наибольший и наименьший диаметр сердцевины, мкм, соответственно; dн — номинальный диаметр сердцевины, мкм.
Некруглость оболочки ОВ определяется аналогично.
Неконцентричность сердцевины относительно оболочки определяется как расстояние между центрами оболочки и сердцевины ОВ (рис. 2.25 б) и определяется из выражения:
где Нс/о — неконцентричность сердцевины относительно оболочки, мкм; Цс — координаты центра сердцевины, мкм; Цо — координата центра оболочки, мкм.
Поэтому остановимся более подробно на оптических параметрах ОВ.
Основными оптическими параметрами волокна являются:
• относительная разность показателей преломления (Δ);
• числовая апертура(NА);
• нормированная частота (v);
• число распространяющихся мод (М);
• диаметр модового поля (dмп);
• длина волны отсечки (критическая длина волны λкр).
Относительная разность показателей преломления. Относительная разность ПП сердцевины и оболочки ОВ определяется выражением (2.12).
Числовая апертура. Одной из основных характеристик, определяющих условия ввода оптических сигналов и процессы их распространения в ОВ, является числовая апертура, определяемая для:
• оптических волокон со ступенчатым ППП
• оптического волокна с градиентным профилем ППП
В градиентных ОВ используется понятие локальной числовой апертуры. Ее значение
максимально на оси волокна и равно 0 на границе раздела сердцевина — оболочка.
Нормированная частота. Этот параметр, определяющий число мод, равен:
где λ — длина волны, мкм.
Число мод в многомодовом оптическом волокне. Общее число мод в МОВ с диаметром сердцевины 2а, заданной числовой апертурой на рабочей длине волны λ определяется через нормированную частоту выражением вида:
В расчетах М может оказаться дробным числом, в то время как число мод в волокне бывает только целым и составляет от одной до тысячи мод. В волокне с градиентным ППП и теми же значениями диаметра сердцевины, показателей преломления п1 и п2 число мод примерно в 2 раза меньше, чем в ОВ со ступенчатым ППП. Количество мод (с учетом всех вырожденных мод) в случае ступенчатого ППП (2.2) определяется выражением вида:
где u — показатель степени, описывающий изменения ППП.
Диаметр модового поля в ООВ. Важным интегральным параметром ООВ является диаметр модового поля. Этот параметр используется при анализе одномодовых волокон.
В многомодовых ОВ размер сердцевины принято оценивать диаметром (2а), в одномодовых волокнах — с помощью диаметра модового поля (dМП). Это связано с тем, что энергия основной моды в ООВ распространяется не только в сердцевине, но и частично в оболочке, захватывая ее приграничную область. Поэтому dМП более точно оценивает размеры поперечного распределения энергии основной моды. Величина dМП является важной при стыковке волокон между собой, а также при стыковке источника излучения с волокном.
Рис. 2.26. Зависимость распределения интенсивности излучения основной моды ООВ в ближней зоне от радиуса
где J(r) — интенсивность излучения на расстоянии r от оси ООВ; J0 — интенсивность излучения на оси ООВ (при r=O); Wo — радиус модового поля, т. е. значение радиуса, при котором интенсивность излучения составляет 1/е2 = 0,35J0 .
Тогда искомое значение диаметра модового поля равно dМП=2W0.
Длина волны отсечки в ООВ. Минимальная длина волны, при которой ОВ поддерживает только одну распространяющуюся моду, называется длиной волны отсечки. Этот параметр характерен для ООВ. Если λкр меньше, чем длина волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света.
Длина отсечки в проложенном кабеле λсс соответствует напряженному ОВ. На практике ОВ в проложенном или подвешенном на опорах кабеле имеет большое число изгибов. Кроме того, сильные искривления имеются в ОВ, уложенных в кассеты муфт и промежуточных соединителях на объектах связи (сплайс-боксах). Все это ведет к подавлению побочных мод и сдвигу λсс в сторону коротких длин волн в сравнении с λс. Разницу между λсс и λс можно оценить только экспериментальным путем.
Параметры передачи оптических волокон
К параметрам передачи ОВ относятся:
Коэффициент затухании оптического сигнала. Затухание в оптическом волокне — это мера ослабления оптической мощности, распространяемой вдоль ОВ между двумя его поперечными сечениями на данной длине волны. Затухание в ОВ выражается в дБ. Коэффициент затухания в ОВ — это величина затухания на единице длины волокна и выражается в дБ/км. Коэффициент затухания в ОВ обуславливается собственными потерями волокна и выражается в виде:
где αрр, αпт, αик, αпр — составляющие коэффициента затухания за счет рэлеевского рассеяния, поглощения в материале волокна, инфракрасного поглощения и поглощения на примесях ОВ, соответственно.
В общем виде потери энергии в материале волокна зависят от поглощения световой энергии, наличия посторонних примесей, таких как гидроксильные группы (ОН), ионы металлов (железа, кобальта, никеля, меди) и других включений, а так же от потерь на поглощение передаваемой мощности в инфракрасной области сектора.
Общие потери на поглощение в ОВ определяются формулой:
Механизм основных потерь, возникающих при распространении по ОВ электромагнитной энергии, иллюстрируется рис. 2.27. Часть мощности, поступающей на вход световода Рвх, рассеивается из-за изменения направления распространяемых лучей на нерегулярностях и их высвечивании в окружающее пространство (αрр), другая часть мощности поглощается материалом ОВ (αпм) в виде поляризации диполей ОВ, посторонними примесями, что проявляется в виде Джоулева тепла (αпр). В результате мощность на выходе Pвых. уменьшается.
Потери на поглощение существенно зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей могут быть значительными. Потери на рассеяние лимитируют предел минимально допустимых потерь в ОВ.
Рис. 2.27. Механизм основных потерь в световодах:
αрр- рассеяние на нерегулярностях; αпр- поглощение из-за примесей; αпм- поглощение в материале волокна
Рассеяние, с одной стороны, обусловлено неоднородностями материала ОВ, размеры которых меньше длины волны, а с другой — тепловыми флуктуациями показателя преломления.
Рассеяние света принципиально неустранимо и вносит свой вклад в затухание ОВ даже в том случае, когда потери света на поглощение равны нулю.
где n1, — ПП сердцевины и равен 1,48 — 1,50; k=l,38·10-23 Дж/К — постоянная Больцмана; Т=1500К — температура затвердевания стекла при вытяжке; β=8,1·10-11 м2/Н — коэффициент сжимаемости (для кварца).
Составляющую αпм (дБ/км), связанную с потерями на диэлектрическую поляризацию, можно определить из выражения:
где n1 — показатель преломления сердцевины ОВ; tgδ — тангенс угла диэлектрических потерь сердцевины ОВ.
Рис. 2.28. Составляющие потерь энергии
На рис. 2.28 представлены типовые зависимости основных составляющих потерь от длины волны. Как видно из графика, рэлеевское рассеивание αрр ограничивает нижний предел потерь в левой части, а инфракрасное поглощение αик — в правой части спектра волн.
где αрр — составляющая коэффициента затухания ОВ за счет рэлеевских потерь, дБ/км; λ — длина волны оптического излучения, введенного в ОВ, нм;
где αрр — составляющая а за счет материальных потерь ОВ, дБ/км;
где αик — составляющая α ОВ за счет потерь в инфракрасной области, дБ/км.
где α — коэффициент затухания ОВ, дБ/км; kп = 0,1 —0,25 — экспериментальный поправочный коэффициент, учитывающий потери на поглощение.
Дисперсия оптического сигнала. Наряду с коэффициентом затухания ОВ важнейшим параметром является дисперсия, которая определяет его пропускную способность для передачи информации.
где значения τвых и τвх определяются на уровне половины амплитуды импульсов.
Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов. Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами: различием скоростей распространения направляемых мод, направляющими свойствами оптического волокна и параметрами материала, из которого оно изготовлено. В связи с этим основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в ОВ (межмодовая дисперсия), а с другой стороны — некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн Δλ (хроматическая дисперсия).
Межмодовая (модовая) дисперсия преобладает в многомодовых ОВ. Она обусловлена наличием большого количества мод, время распространения которых различно. Для ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны λ одинакова и равна:
где с — скорость света, км/с.
В этом случае все лучи, падающие на торец ОВ под углами к его оси в пределах апертурного угла θа движутся в сердцевине волокна по своим зигзагообразным линиям и при одинаковой скорости распространения достигают приемного конца в разное время, что естественно, приводит к увеличению длительности принимаемого импульса (рис. 2.29). Все лучи, падающие на торец ОВ под углами к его оси в пределах 0< θп < θа достигают приемного устройства с некоторым временным сдвигом, что, естественно, приводит к увеличению длительности принимаемого импульса.
Рис. 2.29. Распространение излучения по ступенчатому и градиентному многомодовым и одномодовому ОВ
Межмодовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, на порядок и более ниже, чем у ступенчатых волокон. Это обусловлено тем, что за счет уменьшения показателя преломления от оси ОВ к оболочке скорость распространения лучей вдоль их траекторий изменяется — так, на траекториях, близких к оси, она меньше, а на удаленных, естественно, — больше. Следовательно, лучи, распространяющиеся кратчайшими траекториями (ближе к оси), обладают меньшей скоростью, а лучи, распространяющиеся по более протяженным траекториям, имеют большую скорость. В результате время распространения лучей выравнивается и увеличение длительности импульса становится меньше.
Расширение импульса из-за модовой дисперсии характеризуется временем нарастания сигнала и определяется как разность между самым большим и самым малым временем прихода лучей в сечение световода на расстоянии l от начала.
где L — длина световода, км; n1 — показатель преломления сердцевины ОВ; с — скорость света, км/с.
Так как минимальное время распространения оптического луча имеет место при θп =0, а максимальное при θп = θкр, соответствующие им значения времени распространения можно записать: (2.87)
откуда значение межмодовой дисперсии равно:
где τмм — межмодовая дисперсия, пс.
Из последнего выражения следует, что межмодовая дисперсия возрастает с увеличением длины волокна. Однако это справедливо только для идеального волокна, в котором взаимодействие между модами отсутствует. В реальных условиях наличие неоднородностей, кручение и изгиб волокна приводят к постоянным переходам энергии из одних мод в другие, т.е. к взаимодействию мод, в связи с чем дисперсия становится пропорциональной . Эго влияние проявляется не сразу, а после определенного расстояния прохождения световой волны, которое носит название длины установившейся связи мод и принимается равным 5 — 7 км для ступенчатого волокна и 10 — 15 км — для градиентного. Оно установлено эмпирическим путем.
В градиентных многомодовых волокнах время распространения оптических лучей определяется законом изменения показателя преломления и при определенных условиях выравнивается, что, естественно, уменьшает дисперсию. Так, при параболическом профиле показателя преломления, когда показатель степени в выражении (2.2) принимает значение и=2,
Из этого рисунка τмод может быть представлено в виде:
Характер кривой на рисунке свидетельствует, что для минимизации дисперсии необходимо тщательно управлять значением и, что на практике оказывается нелегким делом. А всякое изменение профиля, приближающееся к параболическому, существенно уменьшает модовую дисперсию в таком градиентном ОВ.
Рис. 2.30. Зависимость модовой дисперсии ΔτСП от степени и в градиентных ОВ
При анализе выражений (2.88) и (2.89) становится очевидным, что межмодовая дисперсия градиентного ОВ в раз меньше, чем у ступенчатого при одинаковых значениях . А так как обычно 1 %, то межмодовые дисперсии указанных ОВ могут отличаться на два порядка.
Рис. 2.31. Длина взаимодействия мод
где L — длина линии, км; Lc — длина связи мод (установившегося режима), км.
Дисперсионные свойства различных типов ОВ, выпускаемых по рекомендациям ITU-TG.651 и G.652, приведены в табл. 2.5. В ступенчатых световодах при многомодовой передаче доминирует модовая дисперсия и она достигает больших значений (20 — 50 нс/км).
Таблица 2.5. Дисперсионные свойства различных ОВ
Модовая дисперсия может быть уменьшена следующими тремя способами:
В одномодовых ступенчатых световодах отсутствует модовая дисперсия и дисперсия в целом сказывается существенно меньше. Здесь проявляются волноводная и материальная дисперсии и при длине волны порядка 1,3 мкм происходит их взаимная компенсация ( ).
Волноводная (внутримодовая) дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется направляющими свойствами сердцевины ОВ, а именно: зависимостью групповой скорости моды от длины волны оптического излучения, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра. Поэтому внутримодовая дисперсия, в первую очередь, определяется профилем показателя преломления ОВ и пропорциональна ширине спектра излучения источника , т.е.
где — удельная внутримодовая дисперсия.
При отсутствии значений оценка характеризуется выражением:
где — ширина спектральной линии источника излучения, равная 1 — 3 нм для лазера и 20 — 40 нм для светоизлучающего диода; L — длина линии,км; с — скорость света, км/с.
Материальная дисперсия в ОВ обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны В реальном ОВ распространение волн дисперсионно, т.е. скорость распространения зависит от частоты (длины волны). Различные длины волн (цвета) также движутся с различными скоростями по волокну, даже в одной и той же моде. Ранее мы видели, что показатель преломления равен n=c/v.
Рис. 2.32. Скорости распространения длин волн
Рис. 2.33. Удельные значения дисперсии при различных длинах волн: В(λ)-волноводная; М(λ)-материальная
Поскольку каждая длина волны движется с разной скоростью, то величина скорости v в этом уравнении изменяется для каждой длины волны. Таким образом, показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны. Дисперсия, связанная с этим явлением, называется материальной (молекулярной) дисперсией, поскольку зависит от физических свойств вещества волокна. Уровень дисперсии зависит от диапазона длин волн света, инжектируемого в волокно (как правило, источник излучает несколько, длин волн), а также от центральной рабочей длины волны источника. В области 850 нм более длинные волны (более красные) движутся быстрее по сравнению с более короткими (более голубыми) длинами волн. Волны длиной 860 нм движутся быстрее по стеклянному волокну, чем волны длиной 850 нм. В области 1550 нм ситуация меняется: более короткие волны движутся быстрее по сравнению с более длинными; волна 1560 нм движется медленнее, чем волна 1540 нм. В некоторой точке спектра происходит совпадение, при этом более голубые и более красные длины волн движутся с одной и той же скоростью. Это совпадение скоростей происходит в области 1300 нм, называемой длиной волны с нулевой дисперсией (рис. 2.33). Длина стрелок соответствует скорости длин волн; следовательно, более длинная стрелка соответствует более быстрому движению. Типичная картина удельной волноводной и материальной дисперсии вещества одномодового волокна приведена на рис. 2.33. На длине волны 1300 нм равна нулю. В области длин волн выше 1300 нм она отрицательна — волны отстают и прибывают позднее. В области менее 1300 нм волны опережают и прибывают раньше.
Как и волноводную дисперсию, модовую дисперсию можно определить через удельную дисперсию по выражению:
Величина определяется экспериментальным путем. При разных составах легирующих примесей в ОВ имеет разные значения в зависимости от . Поэтому при инженерных расчетах для определения т можно использовать выражение:
Поляризационная модовая дисперсия возникает вследствие разной скорости распространения двух взаимоперпендикулярных поляризаций основной моды ОВ. Для оценки этого вида дисперсии используется выражение:
где Кпмд — коэффициент удельной поляризационной дисперсии.
По определению поляризационная модовая дисперсия проявляется исключительно в одномодовых волокнах с нециркулярной (эллиптической) сердцевиной и при определенных условиях становится соизмеримой с хроматической дисперсией. Эти условия проявляются тогда, когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше.
Поляризационной дисперсии можно дать следующее пояснение. В ООВ распространяется не одна мода, а две фундаментальные моды — две взаимно перпендикулярные поляризации входного сигнала. В идеальном, т.е. однородном по геометрии, волокне две моды распространяются с одинаковой скоростью. Однако реальные ОВ имеют неидеальные геометрические размеры, что приводит к разным скоростям распространения этих двух мод с разными состояниями поляризации и, как следствие, к появлению поляризационной модовой дисперсии.
Поэтому результирующая дисперсия одномодового волокна должна определяться в соответствии с выражением:
В обычных условиях работы ООВ поляризационная модовая дисперсия достаточно мала и поэтому при расчетах полной дисперсии ею можно пренебречь.
В многомодовых ОВ волноводная дисперсия мала по величине, поэтому при определении полной дисперсии ею пренебрегают. В таких ОВ со ступенчатым ППП доминирует над , а с градиентным ППП определяющей становится материальная дисперсия. Последнее связано с тем, что в градиентных МОВ уменьшается за счет выравнивания времени распространения различных мод. Исходя из этого в общем виде полная дисперсия в МОВ может быть представлена выражением:
В одномодовых ОВ модовая дисперсия отсутствует, так как по таким волокнам распространяется только одна мода НЕ11 или, как отмечалось ранее, две моды в двух разных состояниях поляризации, но с одной дисперсионной зависимостью фазового коэффициента (в приближении линейно-поляризованных мод — LP01 мода в двух взаимоортогональных поляризациях). Другими словами, расширение импульсов в ООВ определяется хроматической дисперсией в пределах этой моды. Тогда полная дисперсия в ООВ может быть представлена в общем виде выражением:
Сравнивая дисперсионные характеристики различных волокон, можно отметить, что наилучшими показателями обладают одномодовые ОВ, а наиболее сильно дисперсия проявляется в многомодовых ОВ со ступенчатым ППП.
Ширина полосы пропускания. Многие производители волокна и оптического кабеля не используют в спецификации дисперсию в многомодовых изделиях. Вместо этого они указывают произведение ширины полосы пропускания на длину, или просто полосу пропускания, выраженную в мегагерцах на километры. Полоса пропускания в 400 МГц км означает возможность передачи сигнала в полосе 400 МГц на расстояние 1 км. Это также означает, что произведение максимальной частоты сигнала на длину передачи может быть меньше или равно 400. Другими словами, можно передавать сигнал более низкой частоты на большее расстояние или более высокой частоты на меньшее расстояние, как показано на рис. 2.34.
Рис. 2.34. Зависимость длины передачи от ширины полосы пропускания
Рабочая полоса частот (полоса пропускания) ОК определяет число передаваемых по нему каналов связи и лимитируется дисперсией ОВ.
Рис. 2.35. Дисперсия τ и пропускная способность ΔF ОВ различной длины
На рис. 2.35 показан характер изменения дисперсии и пропускной способности ОВ в зависимости от длины линии. Снижение из-за дисперсии величины до допустимого значения лимитирует дальность передачи по ОК.
Полоса частот и дальность передачи l взаимосвязаны. Соотношение между ними выражается формулами (для коротких линий в пределах устанавливающегося модового режима) и (для длинных линий). В этих соотношениях параметры с индексом х — искомые, а без индекса — заданные; lс — длина связи мод. В реальных условиях обычно формируется полоса пропускания на один километр и определяется полоса пропускания на всю линию по формулам:
Полоса пропускания зависит от расширения импульсов т и определяется соотношением .
Механические параметры оптических волокон
К механическим параметрам ОВ относятся:
Прочность волокна. Стекло принято считать хрупким. Оконное стекло действительно не гнется. Однако стеклянные волокна можно согнуть в виде окружности небольшого диаметра или завязать в свободный узел, не повреждая их. (Затягивание тугого узла может повредить волокно.)
Предел прочности характеризует способность волокна противостоять натяжению или изгибу без повреждения. Предел прочности волокна на разрыв превосходит ту же величину для стальной нити идентичного размера. Более того, медный проводник должен иметь вдвое больший диаметр, чтобы обеспечить тот же предел точности, что и волокно.
Основная причина, обусловливающая хрупкость волокна, это наличие микротрещин на поверхности и дефектов внутри волокна. При этом поверхностные трещины более существенны. Поверхностные дефекты могут возрастать под воздействием растягивающей нагрузки, возникающей во время прокладки кабеля. Температурные изменения, механические и химические воздействия, обычное старение также приводят к появлению дефектов. Расширяющиеся дефекты приводят к случайному обрыву волокна. Для разрезания стекла делается узкая царапина на его поверхности. Затем, в результате резкого надлома, стекло трескается вдоль царапины. Аналогичный процесс происходит в волокне. Скрытые дефекты действуют аналогично царапине на поверхности стекла. Как только к волокну прикладывается достаточно сильное растягивающее напряжение, дефекты растут внутри волокна до тех пор, пока оно не разрывается.
Величина динамической прочности на разрыв ОВ составляет обычно величину более чем 38 ГПа для образцов, не подвергшихся старению, длиной 0,5 м.
Статистические и динамические значения параметров нагрузки разрушения обычно задаются в технической документации на ОВ. Статические значения параметра нагрузки разрушения (пс) — это отрицательная крутизна графика зависимости времени наработки ОВ на отказ через статическую усталость в зависимости от приложенной нагрузки в двойном логарифмическом масштабе.
Динамическое значение параметра нагрузки разрушения (пд) — это такая величина, которая показывает, что значение 1/(пд+1) есть крутизна графика динамической усталости в двойном логарифмическом масштабе в зависимости от скорости изменения напряжения в волокне, обусловленного приложенной нагрузкой. Значение параметра динамической усталости пд определяется методом испытания динамической усталости.
Параметры пс и пд обычно указываются в технической документации на ОВ и, как пpaвило, их величина больше 20.
Стойкость к изгибам. Несмотря на то, что волокно может быть согнуто в окружность, оно имеет минимальный радиус изгиба. Достаточно резкий изгиб может разорвать волокна. Изгибы также приводят к двум другим эффектам.
1. Слегка увеличивается затухание. Этот эффект должен быть интуитивно понятен. Изгибы изменяют углы падения и отражения света внутри волокна настолько, что часть его, заключенная в модах высокого порядка, может покидать волокно (подобно случаю с микроизгибами).
2. Уменьшается предел прочности волокна на разрыв. Если растяжение сопровождается изгибом волокна, оно может разорваться при меньшем значении растягивающей нагрузки, чем в случае выпрямленного волокна.
Согласно спецификации на ОВ некоторых фирм минимальный радиус кривизны равен пяти диаметрам кабеля при отсутствии растягивающих напряжений и 10 диаметрам кабеля при их наличии.
Усилие снятия защитного покрытия. Этот параметр характеризует усилие, которое необходимо приложить для удаления покрытия с волокна, не подвергая последнее чрезмерному механическому напряжению, которое может привести к его разрыву. Как правило, усилие снятия защитного покрытия ОВ составляет величину, находящуюся в пределе от 1,3 Н до 9 Н.
Волны, частицы и электромагнитный спектр
Рис. 2.1. Типы поляризаций: а — линейная; б — круговая; в — эллиптическая
Свет представляет собой один из видов электромагнитной энергии, такой же как радиоволны, рентгеновские лучи и, наконец, электронные цифровые импульсы. Электромагнитные волны— это переменные магнитные и электрические поля, направленные перпендикулярно друг другу и направлению распространения. Световая волна является поперечной волной. Если электрическое и магнитное поля колеблются в плоскости, то в фиксированной точке пространства (Z) конец вектора напряженности электрического или магнитного поля с течением времени перемещается вдоль отрезка прямой линии. Такую волну называют линейно-поляризованной. Если вектор , оставаясь неизменным по величине, вращается с угловой частотой ω вокруг направления 0, то конец вектора описывает окружность. Волны такого типа называются волнами с круговой поляризацией. При произвольных значениях амплитудных и начальных фазовых составляющих вектора (Eх, Еу, и φх, φу) в фиксированной точке пространства Z конец этого вектора описывает эллипс. Волны такого типа принято называть волнами с эллиптической поляризацией (рис 2.1).
В физике все виды материи разделяются либо на волны, либо на частицы. Обычно свет представляется в виде волн, а электроны — в виде частиц. Однако современные физические исследования показали, что четкой границы между частицами и волнами не существует. Поведение как частицы, так и волны может быть и корпускулярным, и волновым.
Частицы света называются фотонами. Фотон представляет собой квант, или пакет излучения. Квант — это элементарная единица излучения. Нельзя наблюдать половину или 5,33 кванта. Количество энергии, переносимое фотоном, увеличивается с ростом частоты: большие частоты соответствуют большему количеству энергии. Длине волны фиолетового диапазона, имеющей большую частоту, соответствует большее количество энергии, чем волнам красного диапазона. Энергия, запасенная в одном фотоне,
=, (2.1) где — частота и h — постоянная Планка, равная 6,63х10-34Дж∙с (джоуль секунда).
Из уравнения видно, что энергия фотона пропорциональна частоте (или длине волны).
Существует несколько уровней энергии для различных высокочастотных длин волн и, чем выше частота, тем большую энергию имеет квант.
Инфракрасный свет (1013 Гц) 6,63 х10-20 Дж ∙ с
Видимый свет (1014 Гц) 6,63 х10-19 Дж ∙ с
Ультрафиолетовый свет (1015 Гц) 6,63 х10-18Дж ∙ с
Рентгеновские лучи (1018 Гц) 6,63 х10-15 Дж ∙с
Фотон является странной частицей с нулевой массой покоя. Если он не движется, то не существует. В этом смысле фотон не является частицей, такой как камень или капля чернил. Он служит вместилищем энергии, но ведет себя как частица.
В волоконной оптике свет рассматривают и как частицу, и как волну. Обычно в зависимости от смысла используют либо одно, либо другое понятие. Например, многие характеристики оптического волокна основаны на длине волны, и свет рассматривается как волна. Однако испускание света источником или его поглощение детектором лучше описывается теорией частиц.
Рис. 2.2. Электромагнитный спектр
Видимый свет находится в пределах диапазона волн 390-760 нанометров (нм=10-9 м), или 0,39-0,76 тысячных частей мм. Сравните это с радиоволнами, которые имеют длину волны от сотен до тысяч метров! Свет в общем использовании означает только видимый свет, но этот термин обычно расширяется и включает и ультрафиолетовое (коротковолновое), и инфракрасное излучение (длинноволновое). Фактически термин свет охватывает весь спектр излучения, который может управляться подобным способом (линзами, сетками, призмами и т.д.). Этот более широкий диапазон находится в пределах от 190 нм (ультрафиолетовый свет) до 2000 нм (инфракрасный свет).
В оптической связи с помощью волоконных световодов используется приграничный с инфракрасным диапазоном волны от 800 до 1600 нм. На данном этапе в волоконно-оптических системах передачи ВОСП в казанном диапазоне применяется пять окон прозрачности (табл. 2.1).
Таблица 2.1. Диапазоны длин волн окон прозрачности
Высокие частоты света или малые длины волн представляют большой интерес с точки зрения коммуникационной технологии, так как более высокие частоты несущей волны означают большую скорость передачи информации. Технология волоконной оптики позволяет использовать потенциальную возможность света и обеспечивать высокую скорость передачи информации.
Основным элементом волоконно-оптического кабеля (ВОК), или в дальнейшем оптического кабеля (ОК), является волоконный световод (ВС). Волоконный световод, или оптическое волокно (ОВ), — это оптический волновод ВОСП, предназначенный для направленной передачи оптического излучения, выполненный в виде тонкой стеклянной нити цилиндрической формы с круглым поперечным сечением. Оптическое волокно состоит из сердцевины, одной или нескольких оболочек и одного или нескольких защитных покрытий.
Сердцевина ОВ — это центральная область ОВ, через которую передается основная часть оптической мощности сигнала. Среднее значение показателя преломления (ПП) оболочки меньше среднего значения в сердцевине. В ОВ применяются однородные или депрессированные оболочки. У однородных оболочек ОВ значение ПП постоянное, у депрессированных переменное. Диэлектрическим материалом для сердцевины и оболочки ОВ служит плавленый кварц (кварцевое стекло), чистый или с примесями химических элементов и их соединений, небольшие пропорции которых способствуют изменению оптических свойств плавленого кварца должным образом. Плавленный кварц — это аморфное, прозрачное вещество с химической формулой двуокиси кремния SiO2. Сердцевина и оболочка ОВ обладают разными оптическими характеристиками (показателями преломления 1 и 2). Если сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии, то оболочка — для создания лучших условий отражения на границе раздела сердцевина — оболочка, защиты сердцевины волокна от механических повреждений, а также для защиты от излучения энергии в окружающее пространство и поглощения нежелательного излучения извне.
Рис. 2.3. Профили показателей преломления различных световодов:
многомодовых: 1 – ступенчатого, 2 – градиентный;
одномодовых: 3 – ступенчатого, 4 – треугольного, 5 – типа
Рис. 2.4. Волоконные световоды: а – ступенчатые многомодовые; б – градиентные многомодовые; в – одномодовые
Профили показателей преломления (ППП) различных ОВ приведены на рис. 2.3. ППП многомодовых ОВ подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых ВС показатель преломления в сердцевине постоянен и имеется резкий переход от 1 сердцевины к 2 оболочки. Градиентные ВС имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии.
В одномодовых ОВ ППП, в свою очередь, подразделяется на ступенчатый, треугольный, типа (рис. 2.3).
Траектории лучей в световодах различных групп представлены на рис. 2.4. В ступенчатом многомодовом световоде лучи резко отражаются от границы сердцевина–оболочка. При этом пути следования различных лучей различны, и поэтому они приходят к концу линии со сдвигом во времени, что приводит к искажению передаваемого сигнала (дисперсии). В градиентных световодах лучи распространяются по волнообразным траекториям, поэтому искажений меньше. В наилучших условиях находится одномодовая передача, так как здесь распространяется лишь один луч.
Математически профиль показателя преломления (ППП) ОВ может быть описан выражением вида:
где 1 — максимальное значение ППП на оси волокна, т.е. при =0; а — радиус сердцевины; — показатель степени, описывающий изменение ППП; ∆ — относительная разность показателей преломления сердцевины и оболочки ОВ. В разных волокнах значение ∆ меняется от 0,003 до 0,01.
Показатель степени для треугольного профиля ПП равен 1, параболического — 2, а прямоугольного (ступенчатого) — ∞.
Физические процессы, происходящие при распространении электромагнитных волн в волоконных световодах оптических кабелей, имеют свои особенности. В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводимостью и током проводимости пр, ОК имеют совершенно другой механизм передачи, а именно: токи смещения см на основе которых действует также радиопередача. Однако волна в ОК распространяется не в свободном пространстве, а концентрируется в самом объеме световода и передается по нему в заданном направлении (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Процесс передачи волны по световоду
Например, передача волны по световоду со ступенчатым профилем показателя преломления осуществляется за счет отражений ее от границы сердечника и оболочки, имеющих разные показатели преломления (1 и 2).
В обычных кабелях носителем пере даваемой информации является электрический ток, а в ОК — лазерный луч.
Рис. 2.6. Передача по направляющим схемам: а – двухпроводной; б – волноводной
В симметричных и коаксиальных кабелях передача осуществляется по двухпроводной схеме с применением прямого и обратного проводника цепи. В световодах, волноводах и некоторых других направляющих системах нет двух проводников, и передача происходит волноводным методом за счет многократного отражения волны от границы раздела сред (рис. 2.6). Такой отражающей границей может быть металл — диэлектрик, диэлектрик — диэлектрик с различными диэлектрическими (оптическими) свойствами и др. На волноводном принципе действуют световод, волновод, линия поверхностной волны, диэлектрический волновод и другие конструкции направляющих систем.
Рис. 2.7. Распространение волн в световоде для частот:
а – очень высоких; б – менее высоких; в – критических
Во втором случае волна часто отражается и поступательное движение ее весьма мало. В этом случае вдоль световода передается незначительная доля энергии.
При определенной длине волны λ≈d (рис. 2.7 в) -наступает такой режим, когда θ = 0, волна падает на оболочку световода и отражается перпендикулярно. В световоде устанавливается режим стоячей волны, и энергия вдоль световода не перемещается. Этот режим соответствует критической длине волны λ0 =d и критической частоте 0=/.
Таким образом, в световоде могут распространяться лишь волны длиной меньшей, чем диаметр сердцевины световода (λ<). С учетом того, что, например, в световоде со ступенчатым ППП границей раздела сердцевина — оболочка являются прозрачные стекла, возможно не только отражение оптического луча, но и проникновение его в оболочку. Для предотвращения перехода энергии в оболочку и излучения в окружающее пространство необходимо соблюдать условия полного внутреннего отражения. Реализация этого условия применительно к двухслойному световоду показана на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Принцип действия волоконного световода:
1 — имеется преломленный луч; 2 и 3- отсутствует преломленный луч
где μ1 и ε1, μ2 и ε2 — магнитная и диэлектрическая проницаемости сердцевины и оболочки.
Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие ввода света во входной торец волоконного световода. Как видно из рис. 2.8 световод пропускает лишь свет, заключенный в пределах телесного угла θА, который обусловлен углом полного внутреннего отражения θв.
