18.3. Внешние потери
Внешние потери обусловлены четырьмя основными причинами: радиальным, угловым, осевым смещениями волокон и качеством торцов. Кроме того, необходимо учитывать деформации сердечника и соответствие между показателями преломления волокон.
Волокно в соединителе должно размещаться вдоль его центральной оси. Если центральная ось одного волокна не совпадает с центральной осью другого, то неизбежно появляются потери за счет радиального смещения. На рис. 54. представлена зависимость этих потерь от отношения абсолютной величины смещения к диаметру сердечника волокна.
Рис. 54. Потери при соединении оптических волокон за счет радиального смещения
Если задаться относительным смещением в 10 %, то для волокна диаметром 50 мкм и числовой апертуре NA = 0,5 это означает, что реальное смещение составляет 5 мкм, а уровень потерь – 0,5 дБ. Для того же волокна, но числовой апертурой NA = 0,15, величина потерь составляет 0,2 дБ в каждом соединении. В реальных условиях стремятся ограничить смещение до уровня менее 5% от диаметра сердечника волокна.
На рис. 55 представлена зависимость потерь от отношения абсолютной величины зазора между соединяемыми волокнами к диаметру волокна.
Рис. 55. Потери при соединении оптических волокон за счет осевого смещения
Соединение двух волокон, разделенных небольшим зазором (осевое смещение), подвержено двум видам потерь. Первый вид обусловлен действием френелевского отражения, которое связано с разницей показателей преломления волокон и среды в зазоре (обычно воздуха).
Отражение на стыке оптических волокон приведено на рис. 56.
Рис. 56. Френелевское отражение: а – при отсутствии воздушного зазора; б – при наличии воздушного зазора
Отражение на границе раздела двух сред (рис. 56, а) характеризуется параметром R, который представляет собой отношение мощности отраженной волны к мощности падающей волны и рассчитывается по формуле
,
где n1 и n2 – показатели преломления соответствующих сред.
В результате мощность на выходе волокна уменьшается по сравнению с падающей мощностью. Френелевские потери рассчитываются по формуле
Например, потери на границе волокно–воздух, при условии, что n1 = 1,46; n2 = 1, составляют 0,15 дБ.
При наличии осевого смещения различают две границы раздела (рис. 56, б). Тогда параметр R рассчитывается по формуле
,
где R1 и R2 – параметры отражения на соответствующей границе; z – ширина зазора.
Взаимодействие многократных отражений приводит к увеличению потерь на стыке, которые рассчитываются по формуле
,
дБ.
Для получения малых потерь на стыке торцы волокон должны находиться в тесном физическом контакте друг с другом или зазор между ними должен быть заполнен веществом (иммерсионной жидкостью), в точности соответствующим показателям преломления сердечников.
В большинстве неразъемных соединителей сопрягаемые волокна действительно устанавливают вплотную. В разъемных соединителях иногда нужен небольшой зазор для предотвращения появления царапин на сколе при подключениях. Волокна, прижатые друг к другу с большим усилием, при подключении соединителя могут даже потрескаться. Поэтому некоторые соединители сконструированы таким образом, чтобы обеспечивать небольшой зазор между волокнами, в других используется фиксированное прижимающее давление для мягкого контакта волокон, исключающее появление повреждений.
Второй вид потерь проявляется в многомодовых световодах и связан с потерей мод высокого порядка при прохождении светом воздушного зазора, так как выходящий из первого волокна световой поток распространяется в некотором конусе. Данный вид потерь зависит от величины числовой апертуры. Волокна с большим значением NA имеют большие потери при соединении.
Сколы обработанных волокон должны быть перпендикулярны их осям и параллельны друг другу при соединении. Потери, связанные с угловым рассогласованием ориентации волокон относительно друг друга (угловое смещение), приведены на рис. 57.
Рис. 57. Потери при соединении оптических волокон за счет углового смещения
Уровень потерь в этом случае также определяется величиной числовой апертуры NA, но проявляется данная зависимость противоположно эффекту наличия зазора между волокнами. Здесь бóльшее значение NA вызывает меньшие потери при соединении.
При правильном использовании соединителя угловое смещение практически исключается, так что связанные с этим эффектом потери существенно меньше потерь, обусловленных радиальным смещением. Дело в том, что при скалывании волокна и полировке стекла контролируется перпендикулярность поверхности по отношению к оси волокна.
Поверхность торцов сопрягаемых волокон должна быть гладкой и не содержать дефекты типа трещин, выбоин и заусениц. Неровная поверхность разрушает геометрическую картину световых лучей и рассеивает их, что затрудняет ввод лучей во второе волокно.
В реальных соединениях необходимо учитывать воздействие суммарных, т. е. полных потерь, определение которых зависит от типа сопрягаемых волокон.
В многомодовых световодах полные потери на стыке волокон обычно меньше, чем сумма отдельных внутренних и внешних составляющих. Принято считать, что потери на стыке многомодовых волокон не зависят от длины волны. В действительности из-за несоответствия внутренних параметров волокон на стыке возникают пульсации (осцилляции) потерь, которые происходят вследствие того, что принимающее волокно не может принять все моды от передающего (рис. 58).
Рис. 58. Зависимость потерь на стыке многомодовых оптических волокон от длины волны
Осцилляции потерь на стыке возрастают с увеличением длины волны. Кроме того, потери при соединении оптических волокон зависят от относительного положения стыков. Стыки имеют тенденцию влиять на распределение мощности, и поэтому потери на конкретном стыке зависят от потерь на предыдущем (рис. 59).
Рис. 59. Распределение мощности оптического излучения на стыках соединяемых волокон
Если волокно А достаточно длинное, то мощность на его конце имеет равновесное распределение. Осевое смещение на первом стыке вызывает потери части мощности на конце распределения и перераспределяет мощность к внешним краям сердечника второго волокна. Если волокно Б короче, чем требуется для восстановления равновесного распределения мощности, то осевое смещение на втором стыке вызовет бóльшую, чем на первом стыке, потерю мощности.
В одномодовых волокнах полные потери на стыке практически соответствуют сумме внешних и внутренних потерь. Более того, такие волокна имеют только одну моду, и поэтому на их стыке отсутствуют пульсации, которые наблюдались в многомодовых волокнах. При отсутствии отражения потери на стыке монотонно уменьшаются с ростом длины волны, что обусловлено ростом диаметра поля моды.
Таким образом, потери на стыке одномодовых волокон проще в анализе, измерении и воспроизведении, чем на стыке многомодовых волокон.
Соединения волокон, кроме того, вызывают изменения во времени взаимодействия передаваемых мод друг с другом, что приводит к флуктуации оптической мощности и появлению так называемых межмодовых шумов. Межмодовые шумы проявляются как в многомодовых, так и в одномодовых волокнах.
Взаимодействие мод, зависящее от времени, происходит вследствие ряда причин: изменения во времени длины волны излучения и параметров лазеров, характеристик волоконного световода.
Модовый шум можно обнаружить, заглянув в торец относительно короткого многомодового волокна, возбуждаемого лазером. Различимые темные и светлые пятна (спеклы) являются следствием интерференции различных мод. Изменение спекл-картины на несовершенном стыке приводит к изменению потерь.
Интерференция мод зависит от временных соотношений между модами, поэтому лазерные источники излучения, способные сохранять временные свойства своего излучения, создают больший межмодовый шум, чем некогерентные источники излучения (светодиоды). С увеличением длины волоконного световода спекл-картина исчезает, что способствует уменьшению межмодовых шумов.
В идеальных одномодовых световодах межмодовый шум отсутствует. Однако реальные одномодовые волокна допускают распространение моды второго порядка, которая возникает на стыках сопрягаемых волокон. Благодаря разнице во времени распространения основной моды и моды второго порядка происходит интерференция мод и появление межмодового шума.