Optiliste kiudude geomeetrilised ja optilised omadused
Geomeetrilised omadused
Geomeetrilised omadusedoptilised kiudon tihedalt seotud ehituse ja väikese{0}}kadudega ühendustega. Need geomeetrilised omadused hõlmavad südamiku läbimõõtu, katte mõõtmeid, kiudude kontsentrilisust ja mitte-ringikujulisust.
(1) Südamiku läbimõõt: mitmemoodiliste optiliste kiudude puhul on nõutav südamiku läbimõõt. ITU-T määrab mitmemoodiliste optiliste kiudude südamiku läbimõõduks (50 ± 3) μm.
(2) Välisläbimõõt: optilise kiu välisläbimõõt viitab tühja kiu läbimõõdule. Olenemata sellest, kas tegemist on mitme- või ühemoodilise -moodikiuga, määrab ITU-T sideks kasutatavate optiliste kiudude välisläbimõõduks (125 + 3) μm.
(3) Kiu kontsentrilisus ja -välisus{2}}: kontsentrilisus on südamiku keskpunkti ja katte keskpunkti vahelise kauguse suhe südamiku läbimõõdusse. Väljas -ringikujulisus hõlmab südamiku ja katte -välist-ringikujulisust ning seda saab väljendada järgmise valemiga:
Valemis on Dmaxja Dminon südamiku (katte) maksimaalne ja minimaalne läbimõõt; Dcoon südamiku (katte) standardläbimõõt.
ITU-T määrab, et: mitmemoodilise kiu kontsentrilisuse viga peaks olema väiksem kui 6%; tuuma mitte-ringikujulisus peaks olema alla 6% (kaasa arvatud ühe-režiim); katte mitte{5}}ringikujulisus peaks olema alla 2%; ja ühemoodilise-kiu kontsentrilisuse viga peaks olema 1 μm.
Optilised omadused
Optiliste kiudude optilised omadused on nende edastusvõime määramisel otsustava tähtsusega tegur.
(1) Murdumisnäitaja jaotus: mitmemoodiliste kiudude murdumisnäitaja jaotus määrab kiu ribalaiuse ja ühenduse kadumise; ühemoodiliste{1}}kiudude murdumisnäitaja jaotus määrab töölainepikkuse valiku. Optiliste kiudude murdumisnäitaja üldvalem on järgmine:
Valemis on kaugus kiu teljest; n(0) on kiudude südamiku murdumisnäitaja, kui r=0; g on murdumisnäitaja jaotusindeks, millel on erinevad väärtused, mille tulemuseks on erinevad murdumisnäitaja jaotused, nagu on näidatud joonisel 2-2; on kiu südamiku raadius (μm); ja △ on suhteline murdumisnäitaja erinevus.
Südamiku murdumisnäitaja: kui r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)g]1/2
Katte murdumisnäitaja: kui r on suurem või võrdne ,n=n(r)=n(0)[1-2△]1/2
(2) Optilise kiu numbriline ava (NA) on tihedalt seotud valgusallika ühendamise tõhususe, kiudude kadumise tundlikkusega mikropainutamise suhtes ja ribalaiusega. Suurem numbriline ava hõlbustab ühendamist, vähendab mikropainutamise tundlikkust ja annab kitsama ribalaiuse. Maksimaalne teoreetiline numbriline ava on määratletud järgmiselt:
Valemis on n astmelise -indekskiu ühtlase südamiku murdumisnäitaja (gradeeritud-indeksiga kiu südamiku keskpunkti murdumisnäitaja n(0); ng on ühtlase katte murdumisnäitaja.
(3) Režiimivälja läbimõõt Režiimivälja läbimõõtu saab määratleda põhirežiimivälja Ea ülekandefunktsiooniga, see tähendab, et põhirežiimivälja Ea ülekandefunktsiooni ja radiaalse r vahelise seose kõveral olev kahe 1/é punkti vaheline laius on režiimivälja läbimõõt.
Vormivälja läbimõõdu hinnang: 2S.=2入/(πn√△)
Ühemoodi{0}}kiu puhul kasutatakse südamiku läbimõõdu asemel režiimivälja läbimõõtu. Põhjus on selles, et sama südamiku läbimõõduga kiududel on erineva murdumisnäitaja jaotuse korral erinev režiimivälja jaotus ja kiu ülekandejõudlus sõltub režiimivälja jaotusest.
Ehituse puhul, kui režiimivälja läbimõõt ei sobi kiudühenduses, suurendab suur kõrvalekalle ühenduse kadu. ITU-T määrab režiimivälja läbimõõduks (9-10) ± 1 μm.
(4) Piirlainepikkus (ühe-režiimi edastuse tingimus) Piirlainepikkus on ühe-režiimiga kiu tingimus, et tagada ühe-režiimiga edastus. Sellest lainepikkusest kaugemale ei levi teist{5}}järku LP-režiim enam. Piirlainepikkus erineb teistest parameetritest selle poolest, et see ei ole konstantne, vaid muutub koos pikkusega. See eeldab, et ühemoodilise -moodikiu piirlainepikkus peab olema väiksem kui optilise sidesüsteemi töölainepikkus. Praegu on ühemoodilise kiu piirlainepikkus 1,10–1,28 µm, mis on määratud suhtelise murdumisnäitaja erinevuse Δ ja ristlõike kujuga.
Optiliste kiudude mittelineaarsed efektid
Tänapäeva tiheda lainepikkusjaotusega multipleksimise (DWDM) suure{0}}võimsusega, kiire-kiudoptiliste sidesüsteemides koos erbium-legeeritud kiudvõimenditega edastavad optilised kiud mitut lainepikkust ja suurt võimsust. See kõrge optiline võimsus võib signaali ja kiu vahelise koostoime tõttu põhjustada mitmesuguseid mittelineaarseid efekte. Kui neid mittelineaarseid efekte korralikult maha ei suruta, võivad need oluliselt mõjutada süsteemi jõudlust ja piirata regenereeritava repiiteri kaugust. Lineaarsus või mittelineaarsus viitab valguse omadustele ülekandekeskkonnas, mitte valguse enda omadustele. Optilise välja olemasolu muudab aga kandja omadusi. Kui keskkond on allutatud tugevale optilisele väljale, nihkuvad või vibreerivad elektronid keskkonna moodustavates aatomites või molekulides, põhjustades polarisatsiooni. Dipoollained ilmuvad polariseeritud keskkonnas ja need dipoolid kiirgavad sama sagedusega elektromagnetlaineid, mis kattuvad algse langeva väljaga, muutudes kogu optiliseks väljaks keskkonnas. See näitab, et muutused kandja omadustes mõjutavad omakorda optilist välja.
Optiliste kiudude mittelineaarsed efektid võib jagada kahte kategooriasse: stimuleeritud hajumine ja murdumisnäitaja häirimine.
◇ Stimuleeritud hajumine toimub moduleeritud süsteemides, kus optilised signaalid interakteeruvad akustiliste lainete või süsteemi vibratsiooniga optilistes kiududes; see tähendab, et optiline väli kannab osa energiast üle mittelineaarsele keskkonnale. Sellesse kategooriasse kuuluvad stimuleeritud Ramani hajumine ja stimuleeritud Brillouini hajumine.
Stimuleeritud Ramani hajumine (SRS) on põhjustatud molekulaarsete vibratsioonide moduleerimisest (interaktsioonist) langeval valgusel (nn pumbavalgus), mille tulemuseks on langeva valguse hajumine. Olgu langeva valguse sagedus ja keskkonna molekulaarsete vibratsioonide sagedus ν, siis on hajutatud valguse sagedused ∞=∞∞ ja ν=∞, +∞. Seda nähtust nimetatakse stimuleeritud Ramani hajumiseks. Hajunud valgust sagedusega ∞ nimetatakse Stokesi laineks; hajutatud valgust sagedusega ν nimetatakse anti-Stokesi laineks.
◇ Madala optilise võimsuse korral jääb ränidioksiidi klaaskiu murdumisnäitaja murdumisnäitaja häirimise tõttu konstantseks. Kui aga kasutada suure optilise võimsuse saamiseks ballastiga kiudvõimendit, võib edastatava signaali intensiivsuse muutmine esile kutsuda kiu murdumisnäitaja muutuse. Kolm murdumisnäitaja häiringust põhjustatud mittelineaarset efekti on ise-faasimodulatsioon (SPM), rist-faasimodulatsioon (CPM) ja nelja-laine segamine.
Self{0}}phase modulation (SPM) viitab nähtusele, kus optilise impulsi faas muutub edastamise ajal, mis viib impulsi spektri laienemiseni. SPM on tihedalt seotud enese-keskendumisega; kui see on tõsine, võib tihe lainepikkusjaotusega multipleksimise (DWDM) süsteemides spektraalne laienemine kattuda külgnevateks kanaliteks.
Optiliste kiudude mehaanilised ja temperatuuriomadused
Optiliste kiudude mehaanilised omadused
Optiliste kiudude mehaanilised omadused on üliolulised. Suhtluses kasutatavad kvartsoptilised kiud on õhukesed klaaskiud, mille välisläbimõõt on ligikaudu 125 μm. Klaas on väga kõva, mitte-plastiline ja rabe materjal. Selle tugevuspiiri määrab selle struktuuris olevate Si-O-sidemete sidumisjõud. Teoreetiliselt on Si-O aatomisidemete purustamiseks vajalik pinge hinnanguliselt 19600–24500 N/mm², seega peab umbes 125 μm välisläbimõõduga optiline kiud vastu tõmbetugevusele 294 N. Tegelike optiliste kiudude pinnal või sees on aga paratamatult pragusid. Kui kiule avaldab välist jõudu, võib isegi väga väike mikro{14}}pragu laieneda ja levida, põhjustades katastroofilise purunemise, mis vähendab oluliselt kiu purunemistugevust (ligikaudu 1/4 teoreetilisest väärtusest). Seetõttu on nendest väljakutsetest ülesaamiseks investeeritud märkimisväärseid jõupingutusi, ressursse ja raha, alates optiliste kiudude arendamisest kuni{18}}laiaulatusliku kasutamiseni. Praegu uurivad uurimis-, tootmis-, kaabeldus- ja ehitusosakonnad täiendavalt, kuidas parandada optiliste kiudude tõmbetugevust ja kasutusiga.
Kaubanduslikult saadavate optiliste kiudude tõmbetugevus ei tohi olla väiksem kui 2,35 N tõmbejõust. Praegu on kaubanduslikult saadavate optiliste kiudude tõmbetugevus jõudnud 0,5% deformatsioonini ehk 432 g tõmbejõuni. Kodus inseneriprojektide jaoks kasutatavate optiliste kiudude tõmbetugevus on tavaliselt suurem kui 400 g tõmbejõudu. Parema kvaliteediga välismaiste optiliste kiudude tõmbetugevus ületab 700 g tõmbejõudu ja veealuste kaablite jaoks kasutatavad kiud nõuavad veelgi suuremat tugevust. Need optiliste kiudude tõmbetugevuse nõuded saavutatakse sõelumismeetodite abil kiu tootmisprotsessi ajal.
Optilise kiu elueaks nimetatakse tavaliselt selle kasutusiga. Mehaanilise jõudluse seisukohast viitab kasutusiga selle purunemisajale. Optiliste kiudude ja kaablite valmistamisel ja projekteerimisel on üldiselt ette nähtud 20-aastane kasutusiga. Kuid optiliste kiudude tegelik kasutusiga ei ole töökeskkonna mõju tõttu (näiteks temperatuur, niiskus ning staatiline ja dünaamiline väsimus) täiesti ühtlane. Praegused hinnangud näitavad, et 20-aastaseks elueaks mõeldud optilised kiud võivad tegelikult kesta 30–40 aastat.
Optiliste kiudude temperatuuriomadused
Optilise kiu temperatuuriomadused viitavad kõrge ja madala temperatuuri mõjule kiu kadudele, mille tulemuseks on üldiselt suurenenud kadu. Kiudude kadu suureneb nii kõrge kui ka madala temperatuuri tingimustes, kuna kiudkatteks ja vooderduseks kasutatavad materjalid on orgaanilised vaigud ja plastid, mille kokkutõmbumis- ja paisumistegurid on palju suuremad kui kvartsil. Seetõttu avaldab kiud madalatel temperatuuridel aksiaalset survejõudu, mis põhjustab mikro-painde, kõrgel temperatuuril aga aksiaalset pikenemist, mis tekitab pinget ja suurendab kadu. Optilise kiu temperatuuriomadused näitavad, et temperatuuri langedes suureneb ka kiu kadu. Kui temperatuur langeb umbes -55 kraadini, suureneb kadu järsult, muutes süsteemi kasutuskõlbmatuks. Praegu on optiliste kiudude{10}}madala temperatuuri omadused saavutanud hea taseme; üldiselt on -20 kraadi juures kadude suurenemine alla 0,1 dB/km ja kvaliteetsete kiudude puhul alla 0,05 dB/km.
Optiliste kiudude madalal{0}}temperatuuril toimimine on ülioluline. Põhjapoolsetes piirkondades asuvate optiliste õhukaablite ja -liinide halb toimivus madalal{2}}temperatuuril mõjutab tõsiselt sidekvaliteeti. Seetõttu on optiliste kiudude tootmisel oluline valida sobivad katte- ja kattematerjalid ning täiustada protsesse. Inseneriprojektis on hädavajalik valida suurepäraste omadustega optilised kiud.
