§ 6. Механізми виникнення втрат при вигині волокна

Залежність втрат від діаметра петельки (одиночної) в SM волокні, виміряна на λ = 1300 нм, наведено на рис. 1.4. При великих значеннях діаметрів петельки втрати не залежать від її діаметра. Однак коли діаметр петельки зменшується до критичного значення (10 ... 20 мм), втрати починають швидко збільшуватися (за експоненціальним законом). Так, при намотуванні декількох витків SM волокна на олівець або кулькову ручку втрати можуть збільшитися на 20 ... 40 дБ.

Втрати при згинанні волокна виникають з двох причин. По-перше, втрати виникають в місці з'єднання прямого і вигнутого волокна. Обумовлені вони тим, що в зігнутому волокні центр модового плями зміщений відносно осі волокна на якусь величину d, що залежить від радіуса вигину волокна (рис. 1.5). В результаті модові плями прямого і вигнутого волокна в місці їх з'єднання виявляються зміщеними один щодо одного також на величину d. Тому тільки частина потужності моди «прямого» волокна (діаметром w) передається моді вигнутого волокна, а інша ж потужність перетвориться в оболонкові моди і в кінцевому рахунку втрачається. Рис. 1.4.

По-друге, потужність втрачається і безпосередньо в зігнутому волокні. Відбувається це через те, що в зігнутому волокні периферійна частина моди поширюється зі швидкістю більше швидкості світла в середовищі (в оболонці). Ця частина моди випромінюється в оболонку волокна і в кінцевому рахунку втрачається (рис. 1.6). Величина цих втрат тим більше, чим більше число витків волокна і чим менше радіус вигину волокна.

Таким чином, втрати в зігнутому волокні виникають через двох різних механізмів. У першому випадку втрати залежать тільки від радіуса вигину волокна і не залежать від числа витків. А в другому випадку вони залежать і від радіуса вигину, і від числа витків.

$ 7. Спектр втрат в зігнутому волокні

Спектри втрат у вигнутих і «прямих» волокнах можуть суттєво відрізнятися. У «прямих» волокнах втрати обмежуються в основному релеевскому розсіюванням і зменшуються з підвищенням довжини хвилі ~ 1 / λ , наприклад, на λ = 1550 нм втрати завжди менше, ніж на λ = 1310 нм. У той же час в вигнутих волокнах втрати можуть, навпаки, збільшуватися зі збільшенням довжини хвилі.

Приклад залежності втрат від довжини хвилі в SM волокні, два витки якого намотані на циліндричну оправку діаметром 23 мм, наведено на рис. 1.7. З малюнка видно, що в зігнутому волокні втрати збільшуються зі збільшенням довжини хвилі. Пояснюється це тим, що при цьому збільшується діаметр моди і все більша частина потужності моди випромінюється в оболонку волокна. Цей факт використовується в рефлектометрии для пошуку місць вигину волокон.

Діаметр моди і, відповідно, відносні потужності, що поширюються в серцевині і оболонці волокна, залежать не тільки від довжини хвилі випромінювання (λ), але і від радіуса серцевини (а) і різниці показників заломлення між серцевиною і кварцовою оболонкою (n - n ). З цих параметрів можна утворити безрозмірну комбінацію, часто використовувану при розрахунках і звану параметром волокна V:

(1.1) де - хвильове число (у вакуумі), а - радіус серцевини, - числова апертура.

Параметр волокна V однозначно характеризує відносні потужності, що поширюються в серцевині і в оболонці волокна (рис. 1.8). Як видно з цього малюнка, при V <1 практично вся потужність першої моди зосереджена в оболонці і, відповідно, при вигині волокон з таким малим параметром V втрати випромінювання будуть великими.

Характерно також, що крива відносної потужності для першої моди не обривається при V → 0. Це означає, що теоретично у волокні може поширюватися випромінювання з як завгодно великою довжиною хвилі (тобто основна мода волокна не має відсічення). Однак так як при V → 0 основна частина потужності поширюється поза серцевини, то втрати на вигинах в таких волокнах великі.

При V> 1 частка потужності основної моди, що поширюється в оболонці, швидко зменшується з ростом V, і при V = 2.4 вона становить величину порядку 0.1. Відповідно зі збільшенням параметра V зменшуються і втрати при вигині волокна. Подальше збільшення параметра V недоцільно, оскільки при V> 2.4 у волокні вже може поширюватися друга мода.