2.16.6 Потери, связанные с изгибом стекловолокон

Рисунок 2.27 - Перевод света из сердцевины стекловолокна в оболочку,

при макроизгибе СВ

Различают микроизгибы (соизмеримые с диаметром сердцевины волокна D) и макроизгибы радиуса R >> D. В первом случае, микроизгиб приводит к образованию механического уплотнения в месте изгиба и, соответственно, к увеличению АПП, что вызывает микрорефракцию. В случае макроизгиба СВ, показанного на рисунке 2.27, область АВ сжимается, область CD растягивается и сердцевина СВ перемещается в направлении стрелки в сторону оболочки СВ.

Световой пучок, распространяющийся по заштрихованной части сердцевины СВ, не имеет обратного пути к центру СВ, после распрямления СВ, и постепенно рассеивается в оболочке.

Потери, связанные с микроизгибами уменьшаются за счет специальных конструкции СВ – кабелей. Потери обусловленные макроизгибами можно свести к минимуму, если радиус закругления задавать достаточно большим, при прокладке кабеля.

2.16.7 Термомеханические потери

Как уже отмечалось, для защиты СВ от механического разрушения, оно покрывается тонкой пленкой полимера. Поскольку коэффициенты линейного и объемного расширения у СВ и защитной пленки не одинаковы, при температурных колебаниях окружающей среды могут возникнуть локальные (местные) колебания механической плотности ±Dr и, соответственно АПП, ±Dn, что приведет к микрорефракции и рассеянию света. Очевидно, что задача разработчиков СВ сводится к созданию таких защитных покрытий для СВ, у которых температурные коэффициенты расширения и сжатия максимально близки к аналогичным коэффициентам у СВ.

2.16.8 Дифракционные потери в стекловолокнах

Если длина волны l в сердцевине СВ имеет величину порядка 1мкм, а диаметр сердцевины D составляет 5 ¸ 50 мкм, значения l и D можно считать соизмеримыми.

Известно [13, гл. 10], что в этом случае в процессе распространения света по СВ возникает явление дифракции, то есть расходимости светового пучка и переводу части световой энергии из сердцевины в оболочку. В этом случае условие ПВО перестает выполняться. Одним из эффективных методов борьбы с дифракционными потерями в СВ является создание нелинейной оптической среды [14, c. 820]. Нелинейная оптическая среда возникает в сердцевине СВ, если в СВ вводится свет повышенной интенсивности. В этом случае, под воздействием света механическая плотность СВ симметрично возрастает от периферии СВ к оси его симметрии и возникает явление самофокусировки, сводящее дифрагирующие лучи к оси симметрии СВ, и восстанавливающее режим ПВО.

2.16.9 Закон Бугера – Ламберта и оценка полных потерь оптического излучения в стекловолокнах

Из сказанного в разделе 2.16 ясно, что экспериментальное определение конкретного вида потерь в СВ представляет достаточно сложную физико-техническую задачу. С точки зрения эксплуатации СВ-кабеля, нас интересуют полные потери, безотносительно к природе их происхождения.

Известно, что интенсивностью излучения света называется величина, определяемая выражением [3, с.42]

, , (2.55)

где W – энергия оптического излучения, переносимая световой волной через площадь S за время t, Р – мощность излучения, соответствующая энергии W.

Если интенсивность излучения после входа в СВ равна J₀, то интенсивность света, прошедшего в СВ путь L, уменьшается до величины J < J₀, рисунок 2.28.

Выберем внутри СВ малый элемент толщины dx, рисунок 2.28. На входе в этот элемент интенсивность света равна J_Х, а на выходе J_Х – dJ_Х, где dJ_Х убыль интенсивности. Очевидно, что dJ_Х пропорциональна J_Х и dx. Вводя коэффициент пропорциональности b, получаем:

(2.56)

Знак (–) в (2.56) означает убыль интенсивности dJ_Х. Разделяя переменные и интегрируя (2.56)

имеем,,

(2.57)

Рисунок 2.28

Формула (2.57) носит название закона Бугера – Ламберта. Величина b, входящая в (2.57), называется коэффициентом полных потерь световой энергии в СВ. Уточним физический смысл этой величины. Потребуем выполнения условия:

= е¹ = е = 2,718282 (2.58)

Из (2.57) и (2.58) следует:

е¹ = е^+bL, bL₁ = 1, , (м^-1) (2.59)

Согласно (2.59), коэффициент полных потерь световой энергии в СВ есть физическая величина, обратная такой длине СВ L₁, на которой интенсивность света убывает в е = 2,718282 раз.

Согласно (2.57) величину b можно представить в виде

(2.60)

Согласно (2.55) и (2.60)

(2.61)

Заменяя натуральный логарифм на десятичный имеем из (2.61):

(2.62)

Умножая правую и левую части в (2.62) на 10, получаем

(2.63)

Величину

(2.64)

назовем коэффициентом затухания света в стекловолокне, измеряемом в децибелах. Из (2.63) и (2.64) следует взаимосвязь между b и a в виде:

, 10b L= 2,3025 a, L, Дб. (2.65)

Разделим (2,64) на длину L стекловолокна и выразим L в километрах:

,(2.66)

Затухание в является широко распространенной единицей измерений в технике связи.