Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Развитие волоконно-оптических линий связи. Учебное пособие
.pdf
11
качество заготовки. Увеличение числа осажденных слоев требует уменьшение
скорости перемещения в горячей зоне. Схлопывание ОКТ происходит под
действием сил поверхностного натяжения. Для этого ОКТ нагревается с
помощью графитовой печки до температуры размягчения кварцевого стекла
(2200 0С). При перемещении печки вдоль оси ОКТ силы поверхностного
натяжения постепенно сжимают размягченную трубку в сплошной
стеклянный стержень. Основное преимущество графитовой печи в том, что
она создает в зоне нагрева аксиально-симметричное распределение
температуры. Для получения симметричного распределения температуры не
только снаружи, но и внутри ОКТ она вращается вокруг своей оси, т.е
устраняются такие негативные факторы, как уменьшение эллиптичности
сердцевины и оболочки волокна. Но нагревание ОКТ до температуры
плавления приводит к появлению такого негативного явления, как провал в
центре профиля показателя преломления, т.к. испаряются последние слои,
образующие сердцевину заготовки. Скорость испарения GeO2 выше, чем SiO2,
поэтому показатель преломления вблизи оси понижается. Для ликвидации
данного дефекта внутренняя часть ОКТ в процессе схлопывания заполняется
смесью фреона с кислородом и провал в профиле показателя преломления
становится менее глубоким и более плавным.
В настоящее время при изготовлении заготовки используется процедура
жакетирования. Данная процедура позволяет увеличить диаметр заготовки за
счет нанесения дополнительного кварцевого покрытия, к которому
предъявляются менее высокие требования к чистоте материала, т.к. данная
часть заготовки не предназначена для передачи информационного сигнала.
В таблице (1.2) приведены основные характеристик методов
изготовления заготовки.
Таблица 1.2 – Основные характеристики методов изготовления заготовок
Методы
Методы
Скорость осаждения,
г/мин
Основа
IVD
IVD
0,1 – 0,5
ОКТ
OVD
OVD
3 – 4
Затравочный стержень
VAD
VAD
4 – 6
Затравочный стержень
MCVD
MCVD
0,5 – 1
ОКТ + жакетирование
PCVD
PCVD
1 – 2
ОКТ + жакетирование
При вытяжке волокна решаются две основные задачи:
− добиться высокой однородности диаметра световода;
− защитить поверхность кварцевой оболочки от появления на ней
дефектов.
В таблице (1.3) представлены геометрические характеристики световода
и допуски.
12
Таблица 1.3 – Допуски на геометрические параметры световода
Параметр
Размерные характеристики
Диаметр оболочки, мкм
125,0±1
Некруглость сечения оболочки , %
≤ 1
Неконцентричность сердцевины и оболочки, мкм
< 0.5 мкм
Диаметр покрытия, мкм
245+ 5
Неконцентричность покрытия оболочки, мкм
≤ 12
1.2 Механическая прочность световода
Для анализа теоретической прочности волокна учитывают, что
кварцевое стекло подчиняется закону Гука в широком интервале напряжений.
= Е
, (1.2)
где σ – напряжение, вызывающее относительное удлинение образца;
Е – модуль Юнга (для кварцевого стекла 72000 Н/мм2);
ε – относительное удлинение.
Модуль Юнга определяет и величину теоретической прочности
кварцевого стекла σТ = 18000 Н/мм2, полученной на основании расчетов
прочности разрыва атомных связей Si – O).
За счет наличия различных поверхностных и объемных дефектов
(микротрещин, пузырьков, посторонних включений) уменьшается прочность
реального волокна по сравнению с теоретическими расчетами. Дефекты на
поверхности волокна возникают уже в процессе его вытяжки при
соприкосновении волокна с роликами вытяжного механизма или катушкой, на
которую осуществляется намотка волокна или частицами пыли в воздухе.
Влияние уменьшается за счет нанесения на волокно полимерных покрытий.
Дополнительные причины возникновения дефектов определяются
инородными частицами и микротрещинами в опорных трубках, используемых
для изготовления заготовок. Сильное уменьшение прочности волокна
обусловлено его низкой текучестью. В непластичном и хрупком материале
при деформации воздействие растягивающей нагрузки приводит к
возникновению локальных напряжений в области дефекта. В коротких
волокнах снижение прочности не является существенной проблемой, но в
длинных волокнах появление отдельных дефектов ведет к существенному
снижению надежности волокна. Для обнаружения отдельных дефектов
осуществляется перемотка волокна под нагрузкой.
Напряженное волокно при наличии паров воды обязательно разрушится.
От величины напряжения в волокне и характера в нем дефектов зависит
период службы волокна. Дефектов в волокне много, они изменяются вдоль
13
волокна случайным образом. Поэтому их влияние может быть учтено только
статически и о сроке службы волокна можно утверждать только с
определенной долей вероятности [4,5]. Для практических расчетов срока
службы волокна используют выражение:
, (1.3)
где Т – долговечность оптического волокна;
l
отн (п)
– относительное удлинение волокна в процессе перемотки;
l
отн (э)
– относительное удлинение волокна в процессе эксплуатации;
v – параметр, характеризующий скорость роста трещины;
t
тест
– время действия нагрузки при перемотке;
l – длина волокна;
nT – число обрывов волокна на единицу длины в процессе
перемотки;
Q – вероятность разрушения волокна в процессе эксплуатации;
m – статический параметр Вейбулла.
Величина статического параметра Вейбулла оценивается по зависимости
разрушения коротких отрезков волокна от величины приложенной нагрузки
(или удлинения волокна). Параметр Вейбулла характеризует величину
разброса значений силы Р, при которой происходит разрушение волокна
относительно наиболее вероятного значения этой силы Р0.
1.3 Конструкция оптического световода
Для создания условий передачи световой волны по
светопропускающему материалу необходимо сформировать двухслойный
световод. Выделяют слой оболочки и слой сердцевины световода. Каждый
слой световода характеризуется диэлектрической проницаемостью.
Существует взаимосвязь между диэлектрической проницаемостью среды и
показателем преломления.
, (1.4)
где εr – относительная диэлектрическая проницаемость;
μr – относительная магнитная проницаемость;
n – показатель преломления.
Магнитная проницаемость в диэлектрической среде равна 1, поэтому
формулу 1.4 можно записать в следующем виде:
m
V
Т
тест
Q
nl
tА
1
)1ln(
1
1
+
−
−=
r
r
n
=
14
. (1.5)
Показатели преломления оболочки и сердцевины отличаются
незначительно, т.е. показатель преломления сердцевины световода n
1
превышает показатель преломления оболочки n2 на очень малую величину, что
позволяет передавать в световоде слабонаправленные волны. Отличие
показателей преломления оценивается относительной разностью показателей
преломления Δ.
. (1.6)
Типовое значение относительной разности показателей преломления
находится в диапазоне от 0,003 до 0,01.
Существует два основных вида профиля: ступенчатый и сглаженный
(градиентный). В случае сглаженного профиля показатель преломления
сердцевины не является однородным: показатель максимален в центре и
постепенно спадает вплоть до оптической оболочки [4]. Показатель
преломления сердцевины меняется вдоль радиуса по закону показательной
функции:
( )
−=
q
R
r
nrn 21
1
, (1.7)
где r – текущий радиус;
R – радиус сердцевины;
n1 – показатель преломления в центре сердцевины;
q – показатель степени, определяющий изменение n(r);
Δ – 0,003 – 0,01.
Рисунок 1.2 – Изменение показателя преломления
На рисунке 1.2 показан характер изменения показателя преломления
сердцевины при разных значениях q.
В оптических системах информационный сигнал передается волновыми
пакетами (цугами). Волновой пакет – это суперпозиция двух и большего числа
волн с различными частотами. Основной характеристикой является скорость
r
n
=
2
1
2
2
2
1
2n
nn −
=
15
движения волны – фазовая скорость, а для волнового пакета введено понятие
групповой скорости распространения – скорости движения максимума
огибающей амплитуды группы волн. Поэтому при распространении светового
излучения по оптическому волокну необходимо учитывать групповой
показатель преломления ng.
. (1.8)
На рисунке 1.3 представлена зависимость группового показателя
преломления от длины волны.
Таблица 1.4 – Типичные значения показателя преломления
λ, нм
n
ng
800
1,453
1,467
1300
1,447
1,4617
1500
1,444
1,4623
Рисунок 1.3 – Зависимость показателя преломления от длины волны
1.4 Анализ распространения излучения по световоду
Так как волновой пакет есть совокупность волн, то необходимо
учитывать волновые свойства цуга. Волновой анализ распространения
световой волны по световоду подчиняется законам Максвелла для
квазиоптического режима передачи.
(1. 9)
где Н – напряженность магнитного поля;
Е – напряженность электрического поля;
1,435
1,44
1,445
1,45
1,455
1,46
1,465
1,47
1,475
1,48
0
500
1000
1500
2000
Длина волны, нм
Показатель преломления
ng n
−=
d
dn
nn
g
,
;
HjrotE
EjrotH
a
a
−=
=
16
εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость;
μа – абсолютная магнитная проницаемость.
Для волнового анализа необходимо ввести определенные допуски на
уравнения Максвелла для квазиоптического режима:
− наличие границ раздела сердцевина – оболочка характеризуется
скачкообразным изменением ε;
− учет только тангенциальных составляющих электромагнитного поля;
− относительная разность показателей преломления очень мала
(слабонаправленные моды).
В этом случае решение системы уравнений для квазиоптического
режима можно записать следующим образом:
(1.10)
(1.11)
а для оболочки:
(1.12)
(1.13)
(1.14)
(1.15)
(1.16)
(1.17)
где k – волновое число.
В двухслойном световоде присутствует граница раздела между
сердцевиной и оболочкой. Энергия поля сосредоточена внутри сердцевины.
Но при уменьшении частоты (увеличении длины волны) энергия будет
,0
11
;0
11
2
1
2
2
22
2
2
1
2
2
22
2
=+
+
+
=+
+
+
z
zzz
z
zzz
Hg
H
r
r
H
r
r
H
Eg
E
r
r
E
r
r
Е
,0
11
;0
11
2
2
2
2
22
2
2
2
2
2
22
2
=+
+
+
=+
+
+
z
zzz
z
zzz
Hg
H
r
r
H
r
r
H
Eg
E
r
r
E
r
r
Е
;
22
1
2
1
−= kg
;
2
1
111
n
k
aa
==
,
2
2
222
n
k
aa
==
;
2
2
22
2
kg −=
17
выходить в оболочку, т.е. существует критическая частота, при которой волна
еще будет распространяться в сердцевине и частота, при которой световая
энергия будет преломляться в оболочку. Но для оценки существования волны
в сердцевине удобнее использовать обобщенный параметр V, который
связывает геометрические и оптические параметры световода с длиной
световой волны.
, (1.18)
где λ – длина волны.
Обобщенный параметр определяет возможность существования волны в
свтоводе. На рисунке 1.4 представлена зависимость существования волны от
нормированной частоты, где по амплитуде отложена величина b –
нормированная постоянная распространения.
Рисунок 1.4 – Зависимость существования моды от нормированной
частоты
(1.19)
Решения уравнения Бесселя бесконечно много, но они дискретны. Не
каждая волна, длина которой меньше диаметра и не каждый луч, даже если он
в пределах апертурного, могут распространяться по световоду. Величины n и
2
2
2
1
2
2
22
1
2
2
nn
а
gagaV −
=+=
.
;
/
0
21
2
21
20
k
n
nn
nn
nn
nk
b
=
−
−
=
−
−
=
18
m имеют конкретный физический смысл, где n – число полуволн по
окружности, m – число полуволн по диаметру[4]. Функции Бесселя имеют
вид затухающих синусоид. Корнями уравнений (решений) являются
произведения
, (1.20)
где а – радиус сердцевины световода.
Основным условием существования световой волны в световоде
является выполнение соотношения:
. (1.21)
Исходя из вышеприведенного анализа, можно сделать вывод, что в
оптическом волокне всегда присутствует мода самого низкого порядка
(фундаментальная мода) НЕ11, т.к. корень функции Бесселя у данной моды
равен нулю. Волокна, в которых распространяется только одна
фундаментальная мода, называются одномодовыми волокнами, которые
должны оцениваться такими параметрами как диаметр (радиус) модового поля
Dмп (wмп) и длина волны отсечки λс.
; (1.22)
, (1.23)
где NA – числовая апертура, определяемая по формуле 1.24.
, (1.24)
где ƟА –максимальный угол ввода оптического излучения между осью
световода и составляющей конуса оптического излучения, при котором
выполняется условие полного внутреннего отражения от границы раздела
сердцевина/оболочка в двухслойном световоде или апертурный угол.
a
V
W
мп
=
6,2
405,2
2
NA
а
с
=
mnmn
Paggr ==
mn
PV
2
2
2
1
nnSinNA
A
−==
19
2 Передаточные параметры волоконного световода
2.1 Оптические потери в световодах
Затухание световой волны – это многофакторное явление.
Первоначально необходимо рассмотреть причины затухания, обусловленные
взаимодействием световой волны со средой, т.е. собственные потери,
обусловленные свойствами кварцевого стекла. К собственным потерям
относятся потери, обусловленные релеевским рассеянием и поглощением.
Релеевское рассеяние
Релеевское рассеяние – это когерентное рассеяние света без изменения
длины волны на неоднородностях, величины которых больше или
сопоставима с длиной волны. Появление неоднородностей обусловлено
процессом изготовления световода, т.е. из-за применения высоких температур
и последующего охлаждения возникают так называемые «вмороженные»
неоднородности.
Для вывода формулы, позволяющей осуществить расчет потерь за счет
флюктуации потерь, на рисунке 2.1. представлен малый образец толщиной а
оптического волокна с показателем преломления n и небольшим участком
толщиной b с показателем преломления, отличающимся от n на малую
величину δ, где:
,
где λ – длина волны оптического излучения.
На участке с показателем преломления n+δ оптическое излучение
рассеивается под углом φ, пропорциональному отношению длины волны
оптического излучения к δ.
Рисунок 2.1 – Релеевское рассеяние света на неоднородности образца
Рассеяние света на участке неоднородности можно описать с помощью
функции пропускания неоднородности
. (2.1)
nb ,
ajk
ebg
−
=)(
20
Тогда напряженность поля рассеянной волны можно представить с
помощью выражения 2.2, а интенсивность рассеянного света – 2.3.
; (2.2)
. (2.3)
Таким образом, потери за счет Релеевского рассеяния обратно
пропорциональны длине волны в четвертой степени и могут быть рассчитаны
согласно выражению (2.4). Потери за счет Релеевского рассеяния
представлены на рисунке 2.2.
кмдБ
рр
/,
103,6
)(
4
11
=
, (2.4)
где λ – длина волны в нм.
Рисунок 2.2 – Зависимость потерь за счет Релеевского рассеяния от
длины волны
Поглощение
В области длин волн более 1,7-1,8 мкм начинают проявляться потери из-
за инфракрасного поглощения в кварце, вызванного резонансами атомов в
кристаллической решетке SiO2. Изменение затухания инфракрасного
поглощения описывается формулой:
кмдБ
ИКП
/,
1085,4
exp1081,7
4
11
−=
, (2.5)
где λ – длина волны в нм.
−
2
2
1
)(
b
b
adxkjbE
( )
4
2
2
)()(
a
bEbI
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]