Optiske fibres geometriske og optiske egenskaber
Geometriske egenskaber
De geometriske egenskaber vedoptiske fibreer tæt forbundet med byggeri og forbindelser med ringe-tab. Disse geometriske karakteristika omfatter kernediameter, beklædningsdimensioner, fiberkoncentricitet og ikke-cirkulæritet.
(1) Kernediameter: Kernediameter er et krav for multimode optiske fibre. ITU-T specificerer kernediameteren af multimode optiske fibre som (50 ± 3) μm.
(2) Ydre diameter: Den ydre diameter af den optiske fiber refererer til diameteren af den bare fiber. Uanset om det er multimode eller single-mode fiber, specificerer ITU-T den ydre diameter af optiske fibre, der bruges til kommunikation, som (125 + 3) μm.
(3) Fiberkoncentricitet og ud-af-cirkulæritet: Koncentricitet er forholdet mellem afstanden mellem kernecentret og beklædningscentret og kernediameteren. Ud-af-cirkulæritet omfatter ud-af-cirkulæriteten af kernen og beklædningen og kan udtrykkes med følgende formel:
I formlen, Dmaxog Dminer de maksimale og mindste diametre af kernen (beklædning); Dcoer standarddiameteren af kernen (beklædning).
ITU-T specificerer, at: koncentricitetsfejlen for multimode fiber skal være mindre end 6 %; kerne ikke-cirkulæritet skal være mindre end 6 % (inklusive enkelt-tilstand); beklædningens u-cirkularitet skal være mindre end 2 %; og koncentricitetsfejlen for enkelt-mode fiber bør være 1μm.
Optiske egenskaber
De optiske egenskaber af optiske fibre er en afgørende faktor, der bestemmer deres transmissionsydelse.
(1) Brydningsindeksfordeling: Brydningsindeksfordelingen af multimode fibre bestemmer fiberbåndbredden og forbindelsestabet; brydningsindeksfordelingen af enkelt-modefibre bestemmer valget af driftsbølgelængden. Den generelle formel for brydningsindekset for optiske fibre er:
I formlen er afstanden fra fiberaksen; n(0) er brydningsindekset for fiberkernen, når r=0; g er brydningsindeksfordelingsindekset, som har forskellige værdier, hvilket resulterer i forskellige brydningsindeksfordelinger, som vist i figur 2-2; er fiberkernens radius (μm); og △er den relative brydningsindeksforskel.
Kernebrydningsindeks: når r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)g]1/2
Beklædnings brydningsindeks: når r Større end eller lig med ,n=n(r)=n(0)[1-2△]1/2
(2) Den numeriske apertur (NA) af optisk fiber er tæt forbundet med lyskildens koblingseffektivitet, fibertabsfølsomhed over for mikrobøjning og båndbredde. En større numerisk blænde letter koblingen, reducerer mikrobøjningsfølsomheden og resulterer i en smallere båndbredde. Den maksimale teoretiske numeriske blænde er defineret som følger:
I formlen er n brydningsindekset for den ensartede kerne af trin-indeksfiberen (brydningsindekset n(0) for kernecentret af den graderede-indeksfiber); ng er brydningsindekset for den ensartede beklædning.
(3) Modusfeltdiameter Modusfeltdiameteren kan defineres ved overføringsfunktionen af grundtilstandsfeltet Ea, det vil sige, bredden mellem to 1/é-punkter på kurven af forholdet mellem overførselsfunktionen af grundtilstandsfeltet Ea og den radiale r er tilstandsfeltdiameteren.
Estimering af formfelts diameter:2S.=2入/(πn√△)
I enkelt-tilstandsfiber bruges tilstandsfeltdiameteren i stedet for kernediameteren. Årsagen er, at fibre med samme kernediameter vil have forskellige tilstandsfeltfordelinger under forskellige brydningsindeksfordelinger, og fiberens transmissionsydelse afhænger af tilstandsfeltfordelingen.
For konstruktion, hvis tilstandsfeltdiameteren er mismatchet i fiberforbindelsen, vil en stor afvigelse øge forbindelsestabet. ITU-T angiver tilstandsfeltdiameteren som (9-10) ± 1 μm.
(4) Cutoff-bølgelængde (single-mode transmissionstilstand) Cutoff-bølgelængden er betingelsen for single-mode fiber for at garantere single-mode transmission. Ud over denne bølgelængde forplanter anden-}ordens LP-tilstand sig ikke længere. Cutoff-bølgelængden adskiller sig fra andre parametre ved, at den ikke er konstant, men ændres med længden. Dette kræver, at afskæringsbølgelængden af enkelt-modefiberen er mindre end driftsbølgelængden for det optiske kommunikationssystem. I øjeblikket er afskæringsbølgelængden for enkelt-modefiber 1,10~1,28µm, bestemt af den relative brydningsindeksforskel Δ og tværsnitsformen.
Ikke-lineære effekter af optiske fibre
I nutidens tætte bølgelængdedelingsmultipleksing (DWDM) høj-kapacitet, høj-optisk fiberkommunikationssystemer med erbium-doterede fiberforstærkere, transmitterer de optiske fibre flere bølgelængder og høj effekt. Denne høje optiske effekt kan forårsage forskellige ikke-lineære effekter på grund af interaktionen mellem signalet og fiberen. Hvis disse ikke-lineære effekter ikke undertrykkes korrekt, kan de alvorligt påvirke systemets ydeevne og begrænse den regenererbare repeaterafstand. Linearitet eller ikke-linearitet refererer til lysets egenskaber i transmissionsmediet, ikke lysets egenskaber. Tilstedeværelsen af et optisk felt ændrer imidlertid mediets egenskaber. Når et medium udsættes for et stærkt optisk felt, forskydes eller vibrerer elektronerne i atomerne eller molekylerne, der udgør mediet, og forårsager polarisering. Dipolbølger optræder i det polariserede medium, og disse dipoler udstråler elektromagnetiske bølger med samme frekvens, som er overlejret på det oprindelige indfaldsfelt, og bliver det totale optiske felt i mediet. Dette viser, at ændringer i mediets egenskaber igen påvirker det optiske felt.
De ikke-lineære virkninger af optiske fibre kan opdeles i to kategorier: stimuleret spredning og brydningsindeksforstyrrelse.
◇ Stimuleret spredning forekommer i modulerede systemer, hvor optiske signaler interagerer med akustiske bølger eller systemvibrationer i optiske fibre; det vil sige, at det optiske felt overfører noget energi til det ikke-lineære medium. Stimuleret Raman-spredning og stimuleret Brillouin-spredning hører til denne kategori.
Stimuleret Raman-spredning (SRS) er forårsaget af moduleringen (interaktionen) af molekylære vibrationer i mediet på indfaldende lys (kaldet pumpelys), hvilket resulterer i spredning af det indfaldende lys. Lad frekvensen af det indfaldende lys være , og frekvensen af mediets molekylære vibrationer være ν, så er frekvenserne af det spredte lys ∞=∞∞ og ν=∞, +∞. Dette fænomen kaldes stimuleret Raman-spredning. Det spredte lys med en frekvens på ∞ kaldes en Stokes-bølge; det spredte lys med en frekvens på ν kaldes en anti-Stokes-bølge.
◇ Under lav optisk effekt forbliver brydningsindekset for silicaglasfiber konstant på grund af brydningsindeksforstyrrelse. Men når man bruger en ballastfiberforstærker til at opnå høj optisk effekt, kan ændring af intensiteten af det transmitterede signal inducere en ændring i fiberens brydningsindeks. Tre ikke-lineære effekter forårsaget af brydningsindeksforstyrrelse er selv-fasemodulation (SPM), kryds-fasemodulation (CPM) og fire-bølgeblanding.
Selv-fasemodulation (SPM) refererer til det fænomen, hvor fasen af den optiske puls ændres under transmission, hvilket fører til pulsspektral udvidelse. SPM er tæt forbundet med selv-fokusering; hvis det er alvorligt, kan spektral udvidelse i tætte bølgelængde-multiplekseringssystemer (DWDM) overlappe hinanden i tilstødende kanaler.
Optiske fibres mekaniske og temperaturegenskaber
Optiske fibres mekaniske egenskaber
Optiske fibres mekaniske egenskaber er afgørende. Optiske kvartsfibre, der bruges til kommunikation, er tynde glasfilamenter med en ydre diameter på cirka 125 μm. Glas er et meget hårdt, ikke-duktilt og sprødt materiale. Dens styrkegrænse bestemmes af bindingskraften af Si-O-bindingerne i dens struktur. Teoretisk set er den spænding, der kræves for at bryde Si-O-atombindinger, estimeret til 19600-24500 N/mm², derfor kan en optisk fiber med en ydre diameter på ca. 125 μm modstå en trækstyrke på 294 N. Imidlertid er der uundgåeligt revner på overfladen eller indersiden af optiske fibre. Når fiberen udsættes for ydre kraft, kan selv en meget lille mikro-revne udvide sig og forplante sig, hvilket forårsager et katastrofalt brud, som i høj grad reducerer fiberens brudstyrke (ca. 1/4 af den teoretiske værdi). Derfor er der investeret betydelig indsats, ressourcer og finansiering i at overvinde disse udfordringer, lige fra udviklingen til den-store anvendelse af optiske fibre. I øjeblikket undersøger forsknings-, fremstillings-, kablings- og konstruktionsafdelinger yderligere, hvordan man kan forbedre optiske fibres trækstyrke og levetid.
Trækstyrken af kommercielt tilgængelige optiske fibre må ikke være mindre end 2,35 N trækkraft. I øjeblikket har trækstyrken af kommercielt tilgængelige optiske fibre nået 0,5 % tøjning eller 432 g trækkraft. Indenlandske optiske fibre til ingeniørprojekter har generelt en trækstyrke på mere end 400 g trækkraft. Fremmede optiske fibre af bedre kvalitet har trækstyrker, der overstiger 700 g trækkraft, og fibre, der bruges til søkabler, kræver endnu højere styrker. Disse krav til optiske fibres trækstyrke opnås gennem screeningsmetoder under fiberfremstillingsprocessen.
Levetiden for optisk fiber omtales almindeligvis som dens levetid. Fra et mekanisk ydeevne perspektiv refererer levetiden til dens brudlevetid. Ved fremstilling og konstruktion af optiske fibre og kabler er der generelt designet en levetid på 20 år. Den faktiske levetid for optiske fibre er dog ikke helt konsistent på grund af påvirkningen fra driftsmiljøet (såsom temperatur, fugtighed og statisk og dynamisk træthed). Aktuelle skøn tyder på, at optiske fibre designet til en 20-årig levetid faktisk kan holde 30 til 40 år.
Temperaturkarakteristika for optiske fibre
Temperaturegenskaberne for optisk fiber refererer til virkningen af høje og lave temperaturer på fibertab, hvilket generelt resulterer i øget tab. Fibertabet stiger under både høje og lave temperaturforhold, fordi materialerne, der anvendes i fiberbelægningen og beklædningen, er organiske harpikser og plast, som har meget større sammentræknings- og udvidelseskoefficienter end kvarts. Ved lave temperaturer oplever fiberen derfor aksial trykkraft, hvilket forårsager mikro-bøjning, mens den ved høje temperaturer oplever aksial forlængelseskraft, hvilket genererer stress og fører til øget tab. Temperaturegenskaberne for optisk fiber viser, at når temperaturen falder, øges fibertabet også. Når temperaturen falder til omkring -55 grader, øges tabet dramatisk, hvilket gør systemet ubrugeligt. I øjeblikket har de lave{10}}temperaturegenskaber for optiske fibre nået et godt niveau; ved -20 grader er tabsforøgelsen generelt mindre end 0,1 dB/km, og for fibre af høj kvalitet er den mindre end 0,05 dB/km.
Optiske fibres ydeevne ved lav-temperatur er afgørende. For optiske luftkabler og linjer i nordlige områder vil dårlig ydeevne ved lav-temperatur alvorligt påvirke kommunikationskvaliteten. Derfor er det under fremstilling af optiske fibre vigtigt at vælge passende belægnings- og beklædningsmaterialer og forbedre processerne. I ingeniørdesign er det bydende nødvendigt at vælge optiske fibre med fremragende egenskaber.
