Kenmerken van optische vezels (deel 2)

Geometrische en optische eigenschappen van optische vezels

Geometrische eigenschappen

De geometrische kenmerken vanoptische vezelszijn nauw verwant aan de constructie en verbindingen met-verliesarme verbindingen. Deze geometrische kenmerken omvatten de kerndiameter, de afmetingen van de bekleding, de concentriciteit van de vezels en de niet-rondheid.

(1) Kerndiameter: Kerndiameter is een vereiste voor multimode optische vezels. ITU-T specificeert de kerndiameter van multimode optische vezels als (50 ± 3) μm.

(2) Buitendiameter: De buitendiameter van de optische vezel verwijst naar de diameter van de kale vezel. Ongeacht of het om multimode of single{2}}mode glasvezel gaat, ITU-T specificeert de buitendiameter van optische vezels die voor communicatie worden gebruikt als (125 + 3) μm.

(3) Vezelconcentriciteit en buiten-of-Circulariteit: Concentriciteit is de verhouding tussen de afstand tussen het kerncentrum en het bekledingscentrum en de kerndiameter. Uit-van-circulariteit omvat de uit-van-circulariteit van de kern en de bekleding, en kan worden uitgedrukt met de volgende formule:

In de formule D_maximaalen D_minzijn de maximale en minimale diameters van de kern (bekleding); D_cois de standaarddiameter van de kern (bekleding).

ITU-T specificeert dat: de concentriciteitsfout van multimode glasvezel minder dan 6% moet zijn; de kern van de niet-circulariteit moet minder dan 6% zijn (inclusief enkele-modus); de niet-circulariteit van de bekleding moet minder dan 2% zijn; en de concentriciteitsfout van single-mode glasvezel moet 1μm zijn.

Optische eigenschappen

De optische eigenschappen van optische vezels zijn een cruciale factor die hun transmissieprestaties bepaalt.

(1) Brekingsindexverdeling: De brekingsindexverdeling van multimode vezels bepaalt de vezelbandbreedte en het verbindingsverlies; de brekingsindexverdeling van single-{1}}vezels bepaalt de selectie van de bedrijfsgolflengte. De algemene formule voor de brekingsindex van optische vezels is:

In de formule is dit de afstand vanaf de vezelas; n(0) is de brekingsindex van de vezelkern wanneer r=0; g is de brekingsindexverdelingsindex, die verschillende waarden heeft die resulteren in verschillende brekingsindexverdelingen, zoals weergegeven in figuur 2-2; is de vezelkernradius (μm); en △is het relatieve brekingsindexverschil.

Kernbrekingsindex: wanneer r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)^g]^1/2
Brekingsindex bekleding: wanneer r Groter dan of gelijk aan ,n=n(r)=n(0)[1-2△]^1/2

(2) De numerieke apertuur (NA) van optische vezels hangt nauw samen met de efficiëntie van de lichtbronkoppeling, de gevoeligheid van vezelverlies voor microbuigingen en de bandbreedte. Een grotere numerieke apertuur vergemakkelijkt de koppeling, vermindert de gevoeligheid voor microbuigingen en resulteert in een smallere bandbreedte. De maximale theoretische numerieke apertuur wordt als volgt gedefinieerd:

In de formule is n de brekingsindex van de uniforme kern van de stap-indexvezel (de brekingsindex n(0) van het kerncentrum van de gegradueerde-indexvezel); ng is de brekingsindex van de uniforme bekleding.

(3) Modusvelddiameter De modusvelddiameter kan worden gedefinieerd door de overdrachtsfunctie van het fundamentele modusveld Ea, dat wil zeggen dat de breedte tussen twee 1/é-punten op de curve van de relatie tussen de overdrachtsfunctie van het fundamentele modusveld Ea en de radiale r de modusvelddiameter is.

Schatting van de diameter van het schimmelveld:2S.=2入/(πn√△)

Bij single{0}}mode-vezels wordt de modusvelddiameter gebruikt in plaats van de kerndiameter. De reden is dat vezels met dezelfde kerndiameter verschillende modusveldverdelingen zullen hebben onder verschillende brekingsindexverdelingen, en dat de transmissieprestaties van de vezel afhangen van de modusveldverdeling.

Voor de constructie: als de modusvelddiameter in de vezelverbinding niet overeenkomt, zal een grote afwijking het verbindingsverlies vergroten. ITU-T specificeert de modusvelddiameter als (9-10) ± 1 μm.

(4) Afsnijgolflengte (transmissieconditie in enkele-modus) De afsnijgolflengte is de voorwaarde voor single--glasvezel om transmissie in enkele- modus te garanderen. Buiten deze golflengte plant de LP-modus van de tweede-orde zich niet langer voort. De afsnijgolflengte verschilt van andere parameters doordat deze niet constant is, maar verandert met de lengte. Dit vereist dat de afsnijgolflengte van de single-{8}}vezel kleiner is dan de bedrijfsgolflengte van het optische communicatiesysteem. Momenteel is de grensgolflengte van single{10}}vezels 1,10~1,28 µm, bepaald door het relatieve brekingsindexverschil Δ en de vorm van de dwarsdoorsnede.

Niet-lineaire effecten van optische vezels

In de hedendaagse DWDM-communicatiesystemen met hoge capaciteit en hoge snelheid en met erbium-gedoteerde vezelversterkers zenden de optische vezels meerdere golflengten en een hoog vermogen uit. Dit hoge optische vermogen kan verschillende niet-lineaire effecten veroorzaken als gevolg van de interactie tussen het signaal en de vezel. Als deze niet-lineaire effecten niet op de juiste manier worden onderdrukt, kunnen ze de systeemprestaties ernstig beïnvloeden en de regenereerbare repeaterafstand beperken. Lineariteit of niet-lineariteit verwijst naar de eigenschappen van licht binnen het transmissiemedium, niet naar de eigenschappen van het licht zelf. De aanwezigheid van een optisch veld verandert echter de eigenschappen van het medium. Wanneer een medium wordt blootgesteld aan een sterk optisch veld, verschuiven of trillen de elektronen in de atomen of moleculen waaruit het medium bestaat, waardoor polarisatie ontstaat. Dipoolgolven verschijnen in het gepolariseerde medium, en deze dipolen stralen elektromagnetische golven met dezelfde frequentie uit, die over het oorspronkelijke invallende veld worden gesuperponeerd en zo het totale optische veld binnen het medium worden. Dit toont aan dat veranderingen in de eigenschappen van het medium op hun beurt het optische veld beïnvloeden.

De niet-lineaire effecten van optische vezels kunnen in twee categorieën worden verdeeld: gestimuleerde verstrooiing en verstoring van de brekingsindex.

◇Gestimuleerde verstrooiing vindt plaats in gemoduleerde systemen waar optische signalen interageren met akoestische golven of systeemtrillingen in optische vezels; dat wil zeggen dat het optische veld enige energie overbrengt naar het niet-lineaire medium. Gestimuleerde Raman-verstrooiing en gestimuleerde Brillouin-verstrooiing behoren tot deze categorie.

Gestimuleerde Raman-verstrooiing (SRS) wordt veroorzaakt door de modulatie (interactie) van moleculaire trillingen in het medium op invallend licht (pomplicht genoemd), resulterend in verstrooiing van het invallende licht. Stel dat de frequentie van het invallende licht is, en de frequentie van de moleculaire trillingen van het medium ν, dan zijn de frequenties van het verstrooide licht ∞=∞∞ en ν=∞, +∞. Dit fenomeen wordt gestimuleerde Raman-verstrooiing genoemd. Het verstrooide licht met een frequentie van ∞ wordt een Stokes-golf genoemd; het verstrooide licht met een frequentie van ν wordt een anti-Stokesgolf genoemd.

◇Bij een laag optisch vermogen blijft de brekingsindex van silicaglasvezel constant vanwege verstoring van de brekingsindex. Wanneer echter een vezelversterker met ballast wordt gebruikt om een ​​hoog optisch vermogen te verkrijgen, kan het veranderen van de intensiteit van het verzonden signaal een verandering in de brekingsindex van de vezel veroorzaken. Drie niet-lineaire effecten die worden veroorzaakt door verstoring van de brekingsindex zijn zelf-fasemodulatie (SPM), cross-fasemodulatie (CPM) en vier-golfmenging.

Zelf-fasemodulatie (SPM) verwijst naar het fenomeen waarbij de fase van de optische puls verandert tijdens transmissie, wat leidt tot spectrale verbreding van de puls. SPM houdt nauw verband met zelf-gerichtheid; indien ernstig, kan spectrale verbreding in systemen met dichte golflengteverdelingsmultiplex (DWDM) overlappen naar aangrenzende kanalen.

Mechanische en temperatuureigenschappen van optische vezels

Mechanische eigenschappen van optische vezels

De mechanische eigenschappen van optische vezels zijn cruciaal. Optische kwartsvezels die bij communicatie worden gebruikt, zijn dunne glasdraden met een buitendiameter van ongeveer 125 μm. Glas is een zeer hard, niet-ductiel en bros materiaal. De sterktelimiet wordt bepaald door de hechtkracht van de Si-O-bindingen binnen de structuur. Theoretisch wordt de spanning die nodig is om Si-O-atoombindingen te verbreken geschat op 19600–24500 N/mm². Daarom kan een optische vezel met een buitendiameter van ongeveer 125 μm een ​​treksterkte van 294 N weerstaan. Er bestaan ​​echter onvermijdelijk scheuren aan het oppervlak of aan de binnenkant van de daadwerkelijke optische vezels. Wanneer de vezel wordt blootgesteld aan externe krachten, kan zelfs een heel klein microscheurtje uitzetten en zich voortplanten, waardoor een catastrofale breuk ontstaat, waardoor de breeksterkte van de vezel aanzienlijk wordt verminderd (ongeveer 1/4 van de theoretische waarde). Daarom zijn er vanaf de ontwikkeling tot de grootschalige toepassing van optische vezels-aanzienlijke inspanningen, middelen en financiering geïnvesteerd in het overwinnen van deze uitdagingen. Momenteel onderzoeken onderzoeks-, productie-, bekabelings- en constructieafdelingen verder hoe de treksterkte en levensduur van optische vezels kunnen worden verbeterd.

De treksterkte van in de handel verkrijgbare optische vezels moet niet minder zijn dan 2,35 N trekkracht. Momenteel heeft de treksterkte van in de handel verkrijgbare optische vezels een rek van 0,5% bereikt, oftewel 432 g trekkracht. In eigen land gebruikte optische vezels voor technische projecten hebben over het algemeen een treksterkte van meer dan 400 g trekkracht. Buitenlandse optische vezels van betere kwaliteit hebben treksterktes van meer dan 700 g trekkracht, en vezels die worden gebruikt voor onderzeese kabels vereisen zelfs nog hogere sterktes. Deze vereisten voor de treksterkte van optische vezels worden bereikt door screeningmethoden tijdens het vezelproductieproces.

De levensduur van optische vezels wordt gewoonlijk de levensduur genoemd. Vanuit mechanisch prestatieperspectief verwijst de levensduur naar de breuklevensduur. Bij de productie en engineering van optische vezels en kabels wordt doorgaans een levensduur van 20 jaar aangehouden. De werkelijke levensduur van optische vezels is echter niet geheel consistent vanwege de invloed van de werkomgeving (zoals temperatuur, vochtigheid en statische en dynamische vermoeidheid). Volgens de huidige schattingen kunnen optische vezels die zijn ontworpen voor een levensduur van twintig jaar in werkelijkheid dertig tot veertig jaar meegaan.

Temperatuurkarakteristieken van optische vezels

De temperatuurkarakteristieken van optische vezels verwijzen naar de impact van hoge en lage temperaturen op vezelverlies, wat doorgaans resulteert in verhoogd verlies. Het vezelverlies neemt toe onder zowel hoge als lage temperaturen, omdat de materialen die worden gebruikt in de vezelcoating en bekleding organische harsen en kunststoffen zijn, die veel grotere samentrekkings- en uitzettingscoëfficiënten hebben dan kwarts. Daarom ervaart de vezel bij lage temperaturen een axiale drukkracht, waardoor micro-buigingen ontstaan, terwijl bij hoge temperaturen een axiale rekkracht optreedt, waardoor spanning ontstaat en tot meer verliezen leiden. De temperatuurkarakteristieken van optische vezels laten zien dat naarmate de temperatuur daalt, het vezelverlies ook toeneemt. Wanneer de temperatuur daalt tot ongeveer -55 graden , neemt het verlies dramatisch toe, waardoor het systeem onbruikbaar wordt. Momenteel hebben de eigenschappen van optische vezels bij lage-temperaturen een goed niveau bereikt; Over het algemeen bedraagt ​​de verliestoename bij -20 graden minder dan 0,1 dB/km, en voor hoogwaardige vezels minder dan 0,05 dB/km.

De prestaties bij lage- temperaturen van optische vezels zijn cruciaal. Voor optische bovengrondse kabels en lijnen in noordelijke regio's zullen slechte prestaties bij lage- temperaturen de communicatiekwaliteit ernstig beïnvloeden. Daarom is het tijdens de productie van optische vezels essentieel om geschikte coating- en bekledingsmaterialen te selecteren en processen te verbeteren. Bij technisch ontwerp is het absoluut noodzakelijk om optische vezels met uitstekende eigenschappen te selecteren.