ลักษณะของเส้นใยนำแสง (ตอนที่ 2)

สมบัติทางเรขาคณิตและทางแสงของเส้นใยนำแสง

คุณสมบัติทางเรขาคณิต

ลักษณะทางเรขาคณิตของใยแก้วนำแสงเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการก่อสร้างและการเชื่อมต่อที่สูญเสีย-ต่ำ ลักษณะทางเรขาคณิตเหล่านี้รวมถึงเส้นผ่านศูนย์กลางแกน ขนาดการหุ้ม ความเข้มข้นของเส้นใย และความไม่เป็น-ความเป็นวงกลม

(1) เส้นผ่านศูนย์กลางแกน: เส้นผ่านศูนย์กลางแกนเป็นข้อกำหนดสำหรับไฟเบอร์ออปติกแบบมัลติโหมด ITU-T ระบุเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางของไฟเบอร์ออปติกมัลติโหมดเป็น (50 ± 3) μm

(2) เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก: เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของใยแก้วนำแสงหมายถึงเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยเปลือย ไม่ว่าจะเป็นมัลติโหมดหรือไฟเบอร์โหมดเดี่ยว- ITU-T ระบุเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของไฟเบอร์ออปติกที่ใช้ในการสื่อสารเป็น (125 + 3) μm

(3) ศูนย์กลางของเส้นใยและออก-ของ-ความเป็นวงกลม: ศูนย์กลางคืออัตราส่วนของระยะห่างระหว่างศูนย์กลางแกนกลางและศูนย์กลางหุ้มต่อเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลาง การหมุนเวียนออก-ของ- รวมถึงความหมุนเวียนออก-ของ-ของแกนกลางและการหุ้ม และสามารถแสดงได้ด้วยสูตรต่อไปนี้:

ในสูตร D_{สูงสุด}และ D_นาทีคือเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุดและต่ำสุดของแกนกลาง (การหุ้ม) ดี_ร่วมคือเส้นผ่านศูนย์กลางมาตรฐานของแกน (กาบ)

ITU-T ระบุว่า: ข้อผิดพลาดรวมศูนย์ของไฟเบอร์มัลติโหมดควรน้อยกว่า 6% ความไม่เป็นวงกลมของแกนกลาง-ควรน้อยกว่า 6% (รวมถึงโหมดเดี่ยว-) ความไม่เป็นวงกลมของการหุ้ม-ควรน้อยกว่า 2%; และข้อผิดพลาดของศูนย์กลางของไฟเบอร์โหมดเดี่ยว-ควรเป็น 1μm

คุณสมบัติทางแสง

คุณสมบัติทางแสงของเส้นใยนำแสงเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดประสิทธิภาพการส่งสัญญาณ

(1) การกระจายดัชนีการหักเหของแสง: การกระจายดัชนีการหักเหของเส้นใยมัลติโหมดจะกำหนดแบนด์วิธของเส้นใยและการสูญเสียการเชื่อมต่อ การกระจายดัชนีการหักเหของเส้นใยโหมดเดี่ยว-จะกำหนดการเลือกความยาวคลื่นในการทำงาน สูตรทั่วไปสำหรับดัชนีการหักเหของแสงของเส้นใยแก้วนำแสงคือ:

ในสูตรคือระยะห่างจากแกนไฟเบอร์ n(0) คือดัชนีการหักเหของแกนไฟเบอร์เมื่อ r=0; g คือ ดัชนีการกระจายดัชนีการหักเหของแสงซึ่งมีค่าต่างกันส่งผลให้มีการกระจายดัชนีการหักเหของแสงต่างกัน ดังแสดงในรูปที่ 2-2 คือรัศมีแกนไฟเบอร์ (μm) และ △ คือความแตกต่างของดัชนีการหักเหของแสงสัมพัทธ์

ดัชนีการหักเหของแสงหลัก: เมื่อ r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)^g]^1/2
ดัชนีการหักเหของแสงที่หุ้ม: เมื่อ r มากกว่าหรือเท่ากับ ,n=n(r)=n(0)[1-2△]^1/2

(2) ค่ารูรับแสงตัวเลข (NA) ของไฟเบอร์ออปติกมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับประสิทธิภาพการเชื่อมต่อของแหล่งกำเนิดแสง ความไวในการสูญเสียไฟเบอร์ต่อการดัดด้วยไมโคร และแบนด์วิธ ช่องตัวเลขที่ใหญ่ขึ้นช่วยให้การมีเพศสัมพันธ์ง่ายขึ้น ลดความไวในการโค้งงอของไมโคร และส่งผลให้แบนด์วิธแคบลง ค่ารูรับแสงเชิงตัวเลขสูงสุดตามทฤษฎีถูกกำหนดไว้ดังนี้:

ในสูตร n คือดัชนีการหักเหของแกนกลางที่สม่ำเสมอของเส้นใยดัชนีขั้น- (ดัชนีการหักเหของแสง n(0) ของศูนย์กลางแกนกลางของเส้นใยดัชนีระดับ-) ng คือดัชนีการหักเหของวัสดุหุ้มเครื่องแบบ

(3) เส้นผ่านศูนย์กลางฟิลด์โหมด เส้นผ่านศูนย์กลางของฟิลด์โหมดสามารถกำหนดได้โดยฟังก์ชันถ่ายโอนของฟิลด์โหมดพื้นฐาน Ea นั่นคือ ความกว้างระหว่างจุด 1/é สองจุดบนเส้นโค้งของความสัมพันธ์ระหว่างฟังก์ชันถ่ายโอนของฟิลด์โหมดพื้นฐาน Ea และรัศมี r คือเส้นผ่านศูนย์กลางของฟิลด์โหมด

การประมาณค่าเส้นผ่านศูนย์กลางของสนามแม่พิมพ์:2S.=2入/(πn√△)

ในไฟเบอร์โหมดเดี่ยว- เส้นผ่านศูนย์กลางของสนามโหมดจะใช้แทนเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลาง เหตุผลก็คือเส้นใยที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนเท่ากันจะมีการกระจายฟิลด์ของโหมดที่แตกต่างกันภายใต้การกระจายดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกัน และประสิทธิภาพการส่งผ่านของไฟเบอร์จะขึ้นอยู่กับการกระจายของฟิลด์ของโหมด

สำหรับการก่อสร้าง หากเส้นผ่านศูนย์กลางของโหมดโหมดไม่ตรงกันในการเชื่อมต่อไฟเบอร์ การเบี่ยงเบนอย่างมากจะทำให้การสูญเสียการเชื่อมต่อเพิ่มขึ้น ITU-T ระบุเส้นผ่านศูนย์กลางของฟิลด์โหมดเป็น (9-10) ± 1 μm

(4) ความยาวคลื่นที่ตัดออก (เงื่อนไขการส่งผ่านโหมด-เดี่ยว) ความยาวคลื่นที่ตัดออกเป็นเงื่อนไขสำหรับไฟเบอร์โหมดเดี่ยว-เพื่อรับประกันการส่งผ่านโหมดเดียว- นอกเหนือจากความยาวคลื่นนี้ โหมด-ลำดับ LP ที่สองจะไม่แพร่กระจายอีกต่อไป ความยาวคลื่นคัตออฟแตกต่างจากพารามิเตอร์อื่นๆ ตรงที่ไม่คงที่ แต่จะเปลี่ยนแปลงตามความยาว ซึ่งกำหนดให้ความยาวคลื่นในการตัดของไฟเบอร์โหมดเดี่ยว-ต้องน้อยกว่าความยาวคลื่นในการทำงานของระบบสื่อสารด้วยแสง ในปัจจุบัน ความยาวคลื่นในการตัดของไฟเบอร์โหมดเดี่ยว-คือ 1.10~1.28µm ซึ่งกำหนดโดยความแตกต่างของดัชนีการหักเหสัมพัทธ์ Δ และรูปร่างหน้าตัด-

ผลไม่เชิงเส้นของเส้นใยนำแสง

ในระบบการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติกแบบแบ่งความยาวคลื่นหนาแน่น (DWDM) ในปัจจุบัน-ความจุสูง-ระบบการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติกความเร็วสูงที่มีเครื่องขยายไฟเบอร์เจือเออร์เบียม- ไฟเบอร์ออปติกจะส่งผ่านความยาวคลื่นหลายค่าและมีกำลังสูง พลังงานแสงสูงนี้สามารถทำให้เกิดผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้นต่างๆ เนื่องจากการโต้ตอบระหว่างสัญญาณและไฟเบอร์ หากผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้นเหล่านี้ไม่ได้รับการระงับอย่างเหมาะสม อาจส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อประสิทธิภาพของระบบ และจำกัดระยะห่างของรีพีทเตอร์ที่สร้างใหม่ได้ ความเป็นเส้นตรงหรือไม่เชิงเส้นหมายถึงคุณสมบัติของแสงภายในตัวกลางส่งผ่าน ไม่ใช่คุณสมบัติของตัวแสงเอง อย่างไรก็ตาม การมีอยู่ของสนามแสงจะเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของตัวกลาง เมื่อตัวกลางอยู่ภายใต้สนามแสงที่แรง อิเล็กตรอนภายในอะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบกันเป็นการเคลื่อนที่หรือการสั่นสะเทือนของตัวกลาง ทำให้เกิดโพลาไรเซชัน คลื่นไดโพลปรากฏขึ้นภายในตัวกลางที่มีโพลาไรซ์ และไดโพลเหล่านี้จะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่เท่ากัน ซึ่งซ้อนทับบนสนามตกกระทบดั้งเดิม กลายเป็นสนามแสงทั้งหมดภายในตัวกลาง นี่แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของตัวกลางส่งผลต่อสนามแสงในทางกลับกัน

ผลกระทบแบบไม่เชิงเส้นของเส้นใยนำแสงสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: การกระเจิงแบบกระตุ้นและการรบกวนดัชนีการหักเหของแสง

◇การกระเจิงที่ถูกกระตุ้นเกิดขึ้นในระบบมอดูเลต ซึ่งสัญญาณแสงโต้ตอบกับคลื่นอะคูสติกหรือการสั่นสะเทือนของระบบในเส้นใยนำแสง นั่นคือสนามแสงจะถ่ายโอนพลังงานบางส่วนไปยังตัวกลางที่ไม่เป็นเชิงเส้น การกระเจิงของรามันที่ถูกกระตุ้นและการกระเจิงของ Brillouin ที่ถูกกระตุ้นอยู่ในหมวดหมู่นี้

การกระเจิงรามานแบบกระตุ้น (SRS) เกิดจากการมอดูเลต (ปฏิกิริยาโต้ตอบ) ของการสั่นสะเทือนของโมเลกุลในตัวกลางบนแสงตกกระทบ (เรียกว่าไฟปั๊ม) ส่งผลให้เกิดการกระเจิงของแสงตกกระทบ ปล่อยให้ความถี่ของแสงที่ตกกระทบเป็น และความถี่ของการสั่นของโมเลกุลของตัวกลางเป็น ν ดังนั้นความถี่ของแสงที่กระเจิงคือ ∞=∞∞ และ ν=∞, +∞ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการกระเจิงรามานแบบกระตุ้น แสงที่กระเจิงด้วยความถี่ ∞ เรียกว่าคลื่นสโตกส์ แสงที่กระเจิงด้วยความถี่ ν เรียกว่าคลื่นต้าน-สโตกส์

◇ภายใต้พลังงานแสงต่ำ ดัชนีการหักเหของใยแก้วซิลิกาจะยังคงที่เนื่องจากการรบกวนของดัชนีการหักเหของแสง อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบบัลลาสต์เพื่อให้ได้พลังงานแสงสูง การเปลี่ยนแปลงความเข้มของสัญญาณที่ส่งสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในดัชนีการหักเหของแสงของไฟเบอร์ได้ ผลกระทบแบบไม่เชิงเส้นสามประการที่เกิดจากการก่อกวนดัชนีการหักเหของแสง ได้แก่-การปรับเฟสด้วยตนเอง (SPM), การมอดูเลตเฟสแบบข้าม- (CPM) และการผสมคลื่นสี่-

การปรับเฟสด้วยตนเอง (SPM) หมายถึงปรากฏการณ์ที่เฟสของพัลส์ออปติคอลเปลี่ยนแปลงระหว่างการส่งสัญญาณ ซึ่งนำไปสู่การขยายสเปกตรัมของพัลส์ SPM เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการมุ่งเน้นตนเอง- หากรุนแรง ในระบบมัลติเพล็กซ์การแบ่งความยาวคลื่นหนาแน่น (DWDM) การขยายสเปกตรัมสามารถทับซ้อนกับช่องสัญญาณที่อยู่ติดกัน

สมบัติทางกลและอุณหภูมิของเส้นใยนำแสง

สมบัติทางกลของเส้นใยนำแสง

คุณสมบัติทางกลของเส้นใยนำแสงมีความสำคัญ ใยแก้วนำแสงควอตซ์ที่ใช้ในการสื่อสารเป็นใยแก้วบางๆ ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกประมาณ 125 ไมโครเมตร แก้วเป็นวัสดุที่มีความแข็งสูง ไม่-เหนียว และเปราะ ขีดจำกัดความแข็งแกร่งถูกกำหนดโดยแรงยึดเหนี่ยวของพันธะ Si-O ภายในโครงสร้าง ตามทฤษฎีแล้ว ความเค้นที่จำเป็นในการแตกพันธะอะตอมของ Si-O อยู่ที่ประมาณ 19600–24500 N/mm² ดังนั้น ใยแก้วนำแสงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกประมาณ 125 μm จึงสามารถทนทานต่อแรงดึงได้ที่ 294 N อย่างไรก็ตาม รอยแตกร้าวจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวหรือด้านในของเส้นใยนำแสงจริงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เมื่อเส้นใยถูกแรงภายนอก แม้แต่รอยแตกขนาดเล็ก-ก็สามารถขยายตัวและแพร่กระจายได้ ทำให้เกิดการแตกหักอย่างรุนแรง ซึ่งจะทำให้ความต้านทานการแตกหักของเส้นใยลดลงอย่างมาก (ประมาณ 1/4 ของค่าทางทฤษฎี) ดังนั้น ตั้งแต่การพัฒนาไปจนถึงการใช้งานไฟเบอร์ออปติก{18}}ในวงกว้าง ได้มีการลงทุนความพยายาม ทรัพยากร และเงินทุนจำนวนมากเพื่อเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ ปัจจุบัน แผนกวิจัย การผลิต การวางสายเคเบิล และการก่อสร้างกำลังตรวจสอบเพิ่มเติมว่าจะปรับปรุงความต้านทานแรงดึงและอายุการใช้งานของเส้นใยนำแสงได้อย่างไร

ความต้านทานแรงดึงของเส้นใยนำแสงที่มีจำหน่ายในท้องตลาดจะต้องมีแรงดึงไม่ต่ำกว่า 2.35 นิวตัน ปัจจุบัน ความต้านทานแรงดึงของเส้นใยนำแสงที่มีจำหน่ายในท้องตลาดมีความเค้น 0.5% หรือแรงดึง 432 กรัม เส้นใยนำแสงที่ใช้ในประเทศสำหรับโครงการวิศวกรรมโดยทั่วไปจะมีความต้านทานแรงดึงมากกว่า 400 กรัม ใยแก้วนำแสงจากต่างประเทศที่มีคุณภาพดีกว่าจะมีความต้านทานแรงดึงเกิน 700 กรัม และเส้นใยที่ใช้สำหรับสายเคเบิลใต้น้ำจำเป็นต้องมีความแข็งแรงสูงกว่านั้นอีก ข้อกำหนดเหล่านี้สำหรับความต้านทานแรงดึงของเส้นใยนำแสงทำได้โดยวิธีการคัดกรองในระหว่างกระบวนการผลิตเส้นใย

อายุการใช้งานของใยแก้วนำแสงมักเรียกว่าอายุการใช้งาน จากมุมมองของประสิทธิภาพทางกล อายุการใช้งานหมายถึงอายุการใช้งานของการแตกหัก ในการผลิตและวิศวกรรมของใยแก้วนำแสงและสายเคเบิล โดยทั่วไปได้รับการออกแบบให้มีอายุการใช้งาน 20 ปี อย่างไรก็ตาม อายุการใช้งานจริงของเส้นใยนำแสงไม่สอดคล้องกันทั้งหมด เนื่องจากอิทธิพลของสภาพแวดล้อมการทำงาน (เช่น อุณหภูมิ ความชื้น และความล้าแบบคงที่และไดนามิก) การประมาณการในปัจจุบันชี้ให้เห็นว่าใยแก้วนำแสงที่ออกแบบมาสำหรับอายุการใช้งาน 20 ปีจริงๆ แล้วอาจมีอายุการใช้งาน 30 ถึง 40 ปี

ลักษณะอุณหภูมิของเส้นใยนำแสง

ลักษณะอุณหภูมิของใยแก้วนำแสงหมายถึงผลกระทบของอุณหภูมิสูงและต่ำต่อการสูญเสียเส้นใย โดยทั่วไปส่งผลให้สูญเสียเพิ่มขึ้น การสูญเสียไฟเบอร์จะเพิ่มขึ้นภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงและต่ำ เนื่องจากวัสดุที่ใช้ในการเคลือบไฟเบอร์และการหุ้มเป็นเรซินอินทรีย์และพลาสติก ซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์การหดตัวและการขยายตัวมากกว่าควอตซ์มาก ดังนั้นที่อุณหภูมิต่ำ เส้นใยจะประสบกับแรงอัดตามแนวแกน ทำให้เกิดการโค้งงอเล็กน้อย- ในขณะที่อุณหภูมิสูง เส้นใยจะประสบกับแรงยืดตามแนวแกน ทำให้เกิดความเครียด และนำไปสู่การสูญเสียที่เพิ่มขึ้น ลักษณะอุณหภูมิของใยแก้วนำแสงแสดงให้เห็นว่าเมื่ออุณหภูมิลดลง การสูญเสียของเส้นใยก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน เมื่ออุณหภูมิลดลงถึงประมาณ -55 องศา การสูญเสียจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ส่งผลให้ระบบไม่สามารถใช้งานได้ ในปัจจุบัน คุณลักษณะอุณหภูมิต่ำ-ของเส้นใยนำแสงถึงระดับที่ดีแล้ว โดยทั่วไปที่ -20 องศา การสูญเสียเพิ่มขึ้นจะน้อยกว่า 0.1dB/km และสำหรับเส้นใยคุณภาพสูง จะน้อยกว่า 0.05dB/km

ประสิทธิภาพของเส้นใยนำแสงที่อุณหภูมิต่ำ-ถือเป็นสิ่งสำคัญ สำหรับสายเคเบิลและสายออพติคอลเหนือศีรษะในพื้นที่ภาคเหนือ ประสิทธิภาพของอุณหภูมิต่ำ-ที่ไม่ดีจะส่งผลอย่างมากต่อคุณภาพการสื่อสาร ดังนั้นในระหว่างการผลิตใยแก้วนำแสง การเลือกวัสดุเคลือบและวัสดุหุ้มที่เหมาะสมจึงเป็นสิ่งสำคัญ และปรับปรุงกระบวนการ ในการออกแบบทางวิศวกรรม จำเป็นต้องเลือกใยแก้วนำแสงที่มีคุณสมบัติดีเยี่ยม