Устройство для вытяжки световодов тигельным методом

Рис. 2.9

2.2. Основные параметры оптического волокна

Наиболее важными параметрами оптического волокна являются – коэффициент затухания ξ и предел прочности на растяжение Р, зависимость между которыми показана на рис.2.9. При конструировании автоматической системы управления процессом вытяжки и намотки оптического волокна эти два параметра должны быть критериями, определяющими как структуру системы, так и основные технические характеристики.

Известно, что слабое натяжение обеспечивает высокую прочность, в то время как сильное натяжение сводит к минимуму дополнительные оптические потери, обусловленные процессом вытягивания. Следовательно, выбор в каждом конкретном случае величины натяжения является следствием компромисса между величиной оптических потерь и пределом прочности на растяжение, и уход от выбранного значения будет означать улучшение одного параметра при одновременном ухудшении другого.

Также следует отметить, что натяжение волокна пропорционально кратности вытяжки и объемному расходу стекломассы в зоне формования, и также зависит от температуры, распределенной вдоль луковицы.

Вследствие того, что заготовки имеют разнотолщинность по длине, в зоне формования волокна возникает несоответствие объемного расхода стекломассы температуре нагрева заготовки. В этом случае в данной зоне появляются переходные колебания области с максимальной температурой нагрева заготовки, что в конечном итоге приводит к нестационарному истечению волокна из зоны формования. В свою очередь это процесс ведет к появлению периодических колебаний диаметра волокна с частотой около 1Гц.

Модель оптических потерь, приведенная в [4], имеет вид:

, (2.2.)

где

R_c - радиус сердцевины (внутренней жилы) световода;

R_cb - радиус световода;

n - разность показателей преломления сердцевины и оболочки;

B_n - среднее число нерегулярных выпуклостей с высотой B_h на единицу длины световода;

E_n, E_cb - модули упругости материалов покрытия и световода.

П риведенная модель показывает, что величина оптических потерь связана со стабильностью геометрических параметров. Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Доказано, что 3% отклонения диаметра волокна от номинального значения вносят свой вклад, равный 1дБ/км. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние зависят от неоднородностей показателя преломления материала. Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно (см. рис.2.10.). В настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность.

Наряду с коэффициентом затухания, важнейшей характеристикой волокна является предел прочности на растяжение (Р). В работе [4] показано, что предел прочности понижается из-за микротрещин Гриффитса, распределенных на поверхности волокна. Разрушение волокна наступает тогда, когда внешнее напряжение становится равным энергии связи. Разрушающее напряжение выражается уравнением (2.3.).

, (2.3.)

где

E - модуль Юнга для кварцевого стекла;

 - поверхностная энергия стекла;

 - глубина микротрещин.

Предполагается, что трещины образуются из-за высокого натяжения волокна в процессе его вытягивания из заготовки за счет механического истирания в прижимных роликах, вытяжном барабане и т. п.

Еще одним важным параметром оптического волокна является дисперсия, то есть рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии: модовая, материальная и волноводная.

• Модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно.

• Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

• Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГцкм. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n1 и n2.

Если при распространении света по многомодовому волокну (см. рис.2.11.б.) как правило преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну (см. рис. 2.11.а.) присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1.3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наивысшую пропускную способность.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны. Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0.3 дБ) в стыке. На многомодовое волокно рассчитаны излучатели на длину волны 0.85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 дБ/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГцкм, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.