Факторы и причины, вызывающие дополнительные затухания

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Распространение электромагнитной энергии в оптическом волокне

Оптическое волокно представляет собой элемент, переносящий световой сигнал. Обычно световод представляет собой круглый диэлектрический стержень (сердечник), выполненный из стекла или пластмассы и окруженный диэлектрической оболочкой. Оболочка имеет отличный от сердцевины показатель преломления. Показатель преломления сердечника а оболочки где и - соответственно значение относительной диэлектрической проницаемостью сердцевины и оболочки.

Передачи электромагнитной энергии по световоду используется явление внутреннего отражение на границе раздела двух сред, для чего необходимо, чтобы показатель преломления сердцевины был больше показателя преломления оболочки . Внутреннее отражение служит основой для распространения света вдоль волокна. В зависимости от величины угла , который образует с осью лучи, выходящие из точеного источника в центре торца световода (рисунок 1.1), возникают волны излучения 1, волны оболочки 2 и сердечника 3. При этом учитываются только меридиональные лучи, проходящие через оптическую ось волокна после каждого отражения. Другие лучи, называемые асимметричными (косыми), движутся вдоль волокна, не проходя его оптическую ось. На рисунке 1.1 показаны меридиональные лучи.

Рисунок 1.1. Меридиональные лучи в волоконном световоде

Если угол падения электромагнитной волны на границу «сердцевина-оболочка» больше некоторого критического угла , который согласно закону Снеллиуса определяется соотношением , то луч полностью отражается на границе и остается внутри сердечника (луч 3).

Учет волновых свойств света позволил установить, что только ограниченное число лучей с дискретными углами может образовать направленные волны, которые называют также волновыми модами. Мода представляет собой математическое и физическое понятие, связанное с процессом распространения электромагнитных волн в среде. Под модой понимают вид траектории, вдоль которой может распространяться свет. Число мод, допускаемых волокном, колеблется от 1 до 100 000. Таким образом, волокно позволяет свету распространяться по множеству траекторий, число которых зависит от размера и свойств волокна.

1.1 Числовая апертура

Важной характеристикой световода является числовая апертура (NA). Числовой апертурой называется способность волокна собирать лучи. Только лучи, которые инжектируются (вводятся) в волокно под углами, большими критического, смогут распространяться вдоль него. NA зависит от свойств материала волокна и определяется показателями преломления сердцевины и оболочки:

.

Также можно определить величину углов, при которых свет распространяется вдоль волокна. Эти углы образуют конус, называемый входным конусом, угловой растр которого определяет максимальный угол ввода света в волокно. Входной конус связан с NA.

,

,

где - половина угла ввода.

Числовая апертура указывает на то, как свет вводится в волокно и распространяется по нему. Волокно с большим значением NA хорошо принимает свет, в то время как в волокно с малым значением NA можно ввести только узконаправленный пучок света.

Рисунок 1.2. Числовая апертура

1.2 Классификация оптических волокон

Особенности движения света вдоль волокна зависит от многих факторов, включая:

· размер волокна;

· состав волокна;

· процесс инжекции (ввода) света внутрь волокна.

Оптические волокна могут быть классифицированы по двум параметрам. Первый - материал из которого сделано волокно:

· ОВ имеющее стеклянную сердцевину и оболочку;

· ОВ имеющее стеклянную сердцевину и пластмассовую оболочку;

· ОВ имеющие пластмассовую сердцевину и оболочку.

Второй способ классификации основан на индексе преломления сердцевины и модовой структуре света. На рисунке 1.3. показаны три основные особенности волокон в соответствии с этой классификацией.

Первая особенность - различие входного и выходного импульсов. Вторая особенность - траектория лучей, возникающих при распространении света. Третья особенность - распределение значений показателей преломления в сердцевине и оптической оболочке для различных типов волокон.

Существуют три вида оптических волокон:

1. Многомодовое волокно со ступенчатым индексом;

2. Многомодовое волокно со сглаженным (градиентным) индексом;

3. Одномодовое волокно со ступенчатым индексом.

Характеристики каждого из типов волокон в существенной степени определяется областью применения.

Рисунок 1.3. Распространения света в волокне

2. Затухание в оптических волокнах

Важнейшим параметром световода является затухание. Затуханием называется потеря оптической энергии по мере продвижения света по волокну. Измеряемой в децибелах на километр (дБ/км), оно изменяется от 300 дБ/км - для пластмассового волокна до примерно 0,21 дБ/км для одномодового кварцевого волокна. Затухание является фактором, на основании которого рассчитываются длины регенерационных участков, энергетический баланс, параметры передатчиков и приемников ВОСП.

Затухание в ОВ зависит от длины волны света и не имеет зависимости от частоты модуляции внутри полосы пропускания. Существуют так называемые окна прозрачности, в которых свет распространяется вдоль волокна с малым затуханием. На рисунке 2.1. показано изменение коэффициента затухания волоконного световода в зависимости от длины волны для очищенного от примесей кварцевого стекла.

Рисунок 2.1. Изменение затухания в зависимости от длины волны

На графике четко видны три окна прозрачности в области 0,85, 1,3, 1,55 мкм. Области высокого затухания находятся в близи 0,73; 0,95; 1,25 и 1,38 мкм. Лучше избегать работы в этих диапазонах. Регулирование потерь в волокне может быть достигнуто выбором соответствующей длины волны для передачи сигнала. На рисунках 2.2 и 2.3 представлены типичные кривые затухания для многомодового и одномодового волокна.

Рисунок 2.2. Зависимость затухания от длины волны в многомодовом волокне

Рисунок 2.3. Зависимость затухания от длины волны в одномодовом волокне

Существуют две главные причины потерь в световодах: поглощение и рассеяние энергии. Затухание поглощения и затухание рассеяния определяют собственные потери мощности в ОВ.

2.1 Затухание поглощения

Затуханием называют процесс, при котором неоднородности волокна поглощают оптическую энергию, и преобразуют ее в тепло. Область существенного затухания сигнала волокна связана с молекулами воды и большим поглощением света гидроксильными молекулами (). К другим неоднородностям обуславливающим поглощение относятся ионы железа, меди, кобальта, ванадия и хрома (). Для обеспечения низких потерь производители волокна должны поддерживать концентрацию этих ионов на уровне одной миллиардной.

Затухание за счет поглощения () связано с потерями на диэлектрическую поляризацию и существенно зависит от свойств материала световода. Потери обусловлены комплексным характером показателя преломления:

Показатель преломления связан с тангенсом угла диэлектрических потерь в световоде выражением:

[2.2]

Затухание поглощения определяется отношением величины потерь в световоде () к удвоенному значению всей мощности (), передаваемой по световоду:

, [2.3]

где ;

.

Тогда

, [2.4]

где - проводимость материала световода;

- волновое сопротивление;

- скорость распространения энергии по световоду.

Используя условия и , получим формулу расчета потерь на поглощение:

; дБ/км [2.5]

где - показатель преломления;

- длина волны.

Выражая через комплексный показатель преломления, получим:

, [2.6]

если коэффициент преломления имеет действительное значение , и потери на поглощение отсутствуют.

Из формулы [2.6] видно, что частотная зависимость затухания поглощения имеет линейный характер.

2.2 Затухание рассеяния

Потери, связанные с рассеянием оптической энергии, обусловлены неоднородностью волокна и его геометрической структурой.

По своей структуре стекло является неупорядоченной структурой, в которой имеются микроскопические отклонения от средней плотности материала, а также локальные микроскопические изменения в составе. Каждое из указанных изменений приводит к флуктуациям показателя преломления, величина которых мала по сравнению с длиной волны оптического диапазона.

Кроме того, свет рассеивается на пузырьках, микротрещинах. Такие центры рассеяния особенно вредны на границе сердцевины и оболочки волокна. Рассеяние на неоднородностях происходит во всех направлениях, а значит, свет перестает быть направленным.

Рисунок 2.4. Рассеяние

Различают линейное и нелинейное рассеяние. При линейном рассеянии мощность рассеяния пропорциональна мощности падающей волны. В этом случае происходит частичное изменение направления потока энергии. При нелинейном рассеянии в спектре рассеянной мощности наблюдается новые частотные компоненты. Рассеяние, возникающее в результате флуктуации показателя преломления, называется рэлеевским. Рэлеевское рассеяние обусловлено вариациями состава и плотности волокна, неизбежными в процессе производства.

Величина потерь на рассеяние в ОВ определяется формулой:

ж; дБ/км

где К - постоянная Больцмана;

Т - температура;

ж - сжимаемость;

n - показатель преломления.

На рисунке 2.5. представлена частотная зависимость коэффициента затухания волоконного световода.

Рисунок 2.5. Частотная зависимость затухания поглощения () и затухание рассеяния ()

Поскольку интенсивность рассеяния обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени, то она быстро уменьшается по мере роста длины волны.

Рассеяние определяет минимальный теоретический предел затухания, равный:

2,5 дБ при 0,82 мкм;

0,24 дБ при 1,3 мкм;

0,012 дБ при 1,55 мкм.

Рассеяние света практически неустранимо и вносит свой вклад в затухание оптического кабеля даже в том случае, когда потери света на поглощение практически равны нулю.

3. Дополнительные затухания в оптических кабелях связи

Кроме собственного затухания оптического кабеля (ОК), обусловленного его конструктивными характеристиками, важное значение имеют привносимые в ОК дополнительные затухания. Они могут достигать существенных значений, в результате которых уменьшается энергетический баланс системы, сокращается возможная длина регенерационного участка. К факторам влияний, воздействующих на ОК, относятся:

1) Атмосферно-климатические воздействия;

2) Радиация (ионизирующее излучение);

3) Внешние электромагнитные поля;

4) Механические усилия различного вида и происхождения;

5) Соединение оптических волокон.

Влияние дополнительных затуханий необходимо учитывать в процессе изготовления оптических волокон и оптического кабеля, при расчете проектов ВОЛП, при строительстве, прокладке и монтаже волоконно-оптических линий связи.

Качественная оценка дополнительных затуханий заключается в рассмотрении вида, последствий и соображений, относящихся к конструкции оптического кабеля связи. Далее мы более подробно рассмотрим качественную оценку дополнительных затуханий.

3.1 Атмосферно-климатические воздействия

Из комплекса атмосферно-климатических воздействий следует выделить:

· Температура. Изменение окружающей кабель температуры заметно влияет на его коэффициент затухания. Далее мы подробнее остановимся на механизме этого воздействия;

· Влага. При проникновении в ОК влаги создаются условия, нарушающие прочность волокна и однородность его внешней оболочки, а при длительном воздействии влаги снижается прочность волокна и ускоряется его старение;

· Водород. Присутствие его во влаге или в парах окружающей атмосферы, продиффундировавшего в ОВ, при определенных условиях (образование в материале волокна группы ОН) проявляется в существенном повышении затухания кабеля. Такое явление имеет или восстанавливаемый характер, или остаточный;

· Разряд молнии.

3.1.1 Влияние температуры

Температурные воздействия, испытываемые ОК в процессе эксплуатации, возникают вследствие температурных изменений в почве. По климатическим данным годовой перепад температуры на поверхности земли , а в почве, на глубине залегания кабеля 1,2 метра составляет. В результате цикличности изменения температуры на кабель со стороны грунта периодически действуют внешние силы, а в самом кабеле из-за его поперечной структуры возникают внутренние напряжения.

Воздействие температуры, при различии коэффициентов температурного расширения материалов сердцевины и оболочки, приводит к появлению трещин и даже разрушению волокна. Рассматривая температурную зависимость затухания ОВ из кварца с полимерным покрытием, можно отметить, что изменения затухания особенно важно в области низких температур.

На рисунке 3.1. приведен график возрастания затухания ОВ при покрытии из разных полимеров (полиэтилена, фторопласта, эпоксилакрилата) [20].



Рисунок 3.1. Затухание ОК в области отрицательных температур

Из графика видно, что наименьшее значение затухания обеспечивается при применении ОВ с покрытием из эпоксилакрилата. Увеличение затухания ОВ происходит за счет микротрещин и микроизгибов, появляющихся вследствие разницы коэффициентов расширения материалов сердцевины и оболочки. Для термомеханической прочности системы необходимо, чтобы коэффициент расширения оболочки был ниже коэффициента расширения сердцевины.

1.1.2 Влага

Следующий атмосферно-климатический фактор, воздействующий на ОК - это влага (вода). Вода может проникать внутрь ОК через повреждения оболочки, в результате некачественного восстановления оболочки кабеля в местах соединения, а также при диффузии через оболочку кабеля. При нарушении герметичности оболочки кабеля возможно распространение воды на достаточно большие расстояния, за счет эффекта «всасывания» влаги, основанного на конструкции расположения волокон в кабеле (такой же процесс имеет место в медных кабелях типа ТПП).

Можно сказать, что почти для всех существующих видов ОВ проникновение влаги может снизить их прочность (из-за развития микротрещин) на 15-30%. В относительно сухом воздухе в неполярной среде и после гидрофобизации поверхности волокна указанные явления не наблюдаются.

В настоящее время применяемые при изготовлении оболочки ОК полимерные материалы гигроскопичны и через них диффундируют пары воды. Лучшими оболочками для защиты сердечника ОК от проникновения влаги являются оболочки из свинца, алюмополиэтилена (алюминиевая лента с перекрытием краев, плотно приваренная к полиэтиленовой оболочке). Сейчас наиболее распространены оболочки из пластмассы. Количество воды, проникающее через пластмассовую оболочку, может быть определено по формуле:

,

где - коэффициент влагопроницаемости;

- разность потенциальных давлений снаружи и внутри кабеля;

l - длина кабеля;

t - время;

и - наружный и внутренний диаметр оболочки кабеля соответственно.

Следует отметить также, что влага уменьшает сопротивление изгибу волокна.

Важной задачей при конструировании ОК является полная герметичность и надежная защита от влаги оптических волокон в кабеле.

1.1.3 Влияние водорода

Исследуемые ОВ выдерживались в атмосфере, содержащей водород при различных давлении, температуре и концентрации водорода. После выдержки в этой среде затухание оказалось больше, чем до погружения в атмосферу с водородом.

После выдержки на воздухе, через десятки или сотни часов (в зависимости от степени насыщения водородом), затухание уменьшалось и постепенно возвращалось к исходному значению. Время пребывания волокна в водороде было соизмеримым со временем восстановления затухания и соответствовало времени, в течение которого наступало насыщение (т.е. затухание больше не увеличивалось при пребывании волокна в атмосфере водорода). Исследования показали, что время насыщения соответствовало времени диффузии водорода в волокно.

Опыты показали, что увеличение затухания имело место только во время нахождения волокна в водороде и в течение ограниченного времени после удаления волокна из атмосферы водорода. Исключениями являлись случаи одновременного с выдержкой в водороде нагрева волокна до температуры , при этом наблюдалось повышенное остаточное затухание, связанное с появлением радикала ОН, образование которого явилось следствием диффузии атомов водорода и последующего образования под влиянием температуры устойчивой связи Si - OH.

Повышение затухания при этом необратимо сохраняется и после удаления волокна из атмосферы водорода. Образованию Si - OH способствует также наличие дефектов в связях, входящих в кварц: Si-O-Si. Источниками таких дефектов связей являются, в частности, легирующие добавки ; и другие.

Заметное повышение затухания ОК под влиянием водорода также имеет место при непрерывном присутствии кабеля в среде, содержащей водород при достаточном его парциальном давлении или условиях, благоприятствующих выделению свободного водорода.

Такая ситуация, например, имеет место у ОК, проложенных в морской воде, а также в условиях, когда скорость диффузии возрастает. Наличие микротрещин, циклические изменения температуры, влага ускоряет процессы диффузии; кроме того, влага интенсифицирует появление группы ОН и ее проникновение в кабель.

Следует также иметь в виду, что водород возникает в процессе изготовления ОК вследствие химических реакций, происходящих между некоторыми материалами, входящими в элементы конструкции кабеля. Поэтому материалы, которые применяются при конструировании кабелей, выбираются таким образом, чтобы концентрация водорода была достаточно малой, что позволяет обеспечить положение, при котором увеличение затуханий будет приемлемым. При наличии металлических элементов коррозия последних также является причиной появления водорода.

3.2 Влияние ионизирующего излучения

Оптические волокна в отличие от металлических проводников не накапливают статистические разряды под воздействием радиации и противостоят росту затухания в условиях постоянного радиоактивного излучения. В кварцевом стекле, из которого обычно состоит ОВ, всегда имеются неоднородности и дефекты, например, кислородные вакансии, щелочные примеси, гидроксильные группы и т.д. радиационное облучение усиливает поглощение энергии на неоднородностях волокна. Под действием ионизирующего излучения в материале волокна образуются электроны и дырки, которые служат ловушками для зарядов. Образованные электроны и дырки захватываются дефектами и примесями с образованием дефектных центров, которые имеют полосы поглощения. Появление этих полос проявляется двумя радиационно-оптическими эффектами - возрастанием оптических потерь и появлением люминесцентного излучения. Рост затухания зависит от величины накопленной дозы и интенсивности облучения. Всплеск радиационного излучения в 3700 рад. в течении 3 наносекунд обуславливает резкий рост затухания до тысяч децибел на километр. Этот всплеск затухания спадает до 10 дб/км через 10 секунд после облучения и до 5 дб/км в течение последующих 100 секунд. Таким образом, волокна восстанавливают способность передачи информации в течение одной минуты после радиационного облучения, вызванного ядерным взрывом. Однако при достаточно больших дозах и времени воздействия, материалы ОВ претерпевают необратимые изменения свойств, приводящие к потере работоспособности.

На рисунке 3.2. приведены спектральные зависимости изменения ослабления сигнала в ОВ с сердцевиной из кварцевого стекла с добавлением германия и оболочкой из кварцевого стекла, снятые 1 час после облучения различными дозами монотонно уменьшаясь. С увеличением длины волны, коэффициент затухания ОВ достигает минимума примерно в области длин волн 1,5…1,6 мкм.

Ухудшение оптических характеристик волокна под действием ионизирующего излучения обычно не бывает длительным. Так, у большинства волокон наблюдается восстановление характеристик, вызванное обличением при комнатной температуре. В арсенале средств по восстановлению характеристик ОВ и повышению их радиационной стойкости имеются: фотопросветление, экранирование, выбор основы стекла и присадок [2].

Рисунок 3.2. Воздействие радиации на величину коэффициента затухания ОВ при облучении различными дозами в течение часа

Фотопросветление состоит из воздействия на облученное волокно видимыми и инфракрасными излучениями. За счет этого снижаются потери, наведенные радиацией. Экранирование выполняется путем нанесения на волокно тонкого металлического покрытия, предохраняющего стекло от радиооблучения. Добавка легирующих присадок (германий, фосфор и др.) существенно повышает радиационную стойкость ОВ.

3.3 Механическое воздействие

В процессе изготовления, строительства и эксплуатации ВОЛС оптические волокна подвергаются растяжением, изгибам, кручениям, вибрационным нагрузкам, ударам, сжатиям и прочим воздействиям как статического, так и динамического характера. В отличии от кабелей с медными жилами, механические воздействия на оптические кабели имеют большое значение, так как они могут приводить к значительному затуханию сигнала, а также к разрушению оптического волокна. Исследуя механические воздействия на ОК, будем рассматривать только нарушение оптических свойств кабеля, не беря во внимание механическое повреждение волокна, ведущее к его разрушению. На рисунке 3.3 приведены экспериментальные зависимости коэффициента километрического затухания различных типов ОВ в зависимости от радиуса изгиба, продольного растяжения, поперечного сжатия и угла осевого закручивания.

Проанализировав данный рисунок видно, что механические нагрузки приводят к существенному возрастанию коэффициента затухания полимерных и многокомпонентных волокон. Кварцевые волокна более стойки к механическим воздействиям, особенно продольного характера.

Причиной, приводящей к появлению дополнительных затуханий, является искривление оси волокна и границы «сердечник-оболочка». Данные искривления могут приводить к отражению мод высокого порядка под углами, не допускающими дальнейших отражений. Изгибы изменяют углы падения и отражения света внутри волокна настолько, что часть его, заключенная в модах высокого порядка, может покидать волокно. При этом следует различать детерминированные изгибы оси световода: макроизгибы, возникающие при скручивании волокон в сердечнике кабеля и при прокладке ОК во время строительства линии связи, и случайные хаотические изгибы небольшого радиуса (микроизгибы), связанные с изготовлением волокна, нанесением на него защитного покрытия и изготовлением кабеля. В обоих случаях изменяются условия распространения световых волн в световоде, что приводит к появлению дополнительых затуханий.

Для оценки потерь на изгибе радиуса R в многомодовом световоде можно воспользоваться формулой [3.2]:

[3.2]

или приближенной формулой [3.3] для градиентного световода:

[3.3]

или приближенной формулой [3.4] для световода со ступенчатым профилем показателя преломления:

, [3.4]

где - диаметр сердцевины световода,

- относительное значение показателя преломления.

С помощью формулы [3.3], [3.4] и используя исходные данные в расчетах на ЭВМ (приложение 1) построим график зависимости дополнительного затухания от радиуса изгиба.

Как видно из графика, затухание резко возрастает при уменьшении радиуса изгиба.

Следует отметить, что в волокнах со ступенчатым профилем преломления зависимость затухания от радиуса изгиба проявляется в большей степени, чем в градиентном световоде. Это объясняется различием в распространении мод в ступенчатых и градиентных световодах. В большинстве случаев изгибы с радиусом кривизны

,

приводят к большому значению затухания. Здесь - радиус сердцевины ОВ, NA - числовая апертура световода. Поэтому радиус изгиба световода в кабеле должен быть значительно больше радиуса сердцевины световода.

По действующим техническим нормам ОК в целом допускает изгиб с радиусом R=20*2*r, где r - радиус ОК.

Микроизгибы представляют собой мелкие (сравнимые с длиной волны) локальные нарушения прямолинейности оси волокна или смещение границы «сердцевина-оболочка» в поперечных направлениях на участке микроизгиба. На микроизгибах происходит взаимодействие направляющих волн между собой, а также взаимодействие направляющих волн с волнами оболочки и излучения. Это взаимодействие приводит к обмену электромагнитной энергией между перечисленными типами волн. Направляемые волны будут терять часть энергии из-за его перехода к оболочковым волнам и волнам излучения, что и приводит к возникновению дополнительного затухания. Величину коэффициента затухания на микроизгибе можно вычислить по формуле [3.5]:

[3.5]

где - высота (радиус) микроизгиба;

- показатель преломления сердцевины;

- диаметр световода.

Анализ формулы показывает, что потери в ОВ могут быть значительно снижены увеличением диаметра и числовой апертуры световоду и уменьшением отношения диаметра сердцевины к диаметру оболочки световода. Для градиентных световодов апертура при рассмотрении потерь, обусловленных микроизгибами световода, будет равна приблизительно половине максимальной числовой апертуры световода, что приводит к необходимости использования световодов с малыми диаметрами сердцевины.

Волокна в оптическом кабеле обычно скручиваются вокруг центрального управляющего элемента или вокруг друг друга, для повышения гибкости и устойчивости конструкции ОК. Скрутка волокон может привести к возникновению скручивающих напряжений и ухудшению оптических свойств кабеля. Эти процессы связаны, в первую очередь, с величиной радиуса изгиба волокна, зависящей от шага скрутки волокон. Зависимость между шагом скрутки h и радиусом изгиба R выражается соотношением:

,

где - радиус скрутки.

С увеличением шага скрутки увеличивается и радиус изгиба.

Рассмотрим влияние эффекта скрутки на оптические характеристики волокна.

При скрутке и изгибе волокна нарушается закономерность отражения луча на границе «сердцевина-оболочка», в силу чего часть энергии излучается в окружающее пространство или переходит на соседнее волокно. Это приводит к дополнительным потерям передаваемой энергии.

Критический угол радиуса изгиба R, при котором прекращается эффективная передача световой энергии и меньше которого нельзя изгибать волокно, определяется из условия равенства нулю под логарифмического выражения формулы [3.3]:

. [3.3]

Отсюда .

Если d = 50 мкм, = 0,0068, то = 7,35 мм, то есть, исходя из оптических характеристик волокна, радиус изгиба МОВ должен быть более 7,35 мм. Если d =10 мкм, = 0,0027, = 3,65 мм, то есть радиус изгиба ООВ должен быть более 3,65 мм.

Поверхностные напряжения, возникающие из-за изгиба волокна, могут привести к появлению микротрещин и снижению разрывной прочности волокна. Установлено, что допустимое поверхностное напряжение не должно превышать 0,2%. Рисунок 3.6 поясняет процесс механического воздействия на волокно. Внутренняя поверхность волокна (Rc-b) испытывает сжатие, а внешняя (Rc+b) - растяжение (здесь b - радиус оболочки волокна). Величина напряжения определяется соотношением b/R, где b - радиус оболочки ОВ, R - радиус изгиба. Тогда, исходя из нормы напряжения в 0,2%, получаем: b/R = 0,002. При b = 125/2 мкм допустимый радиус изгиба = 62,5/0,002 = 31250 мкм 31 мм, то есть в данном случае допустимый радиус изгиба для обеспечения механической прочности волокна должен быть не менее 31 мм.

Так как минимальный радиус изгиба волокна, определяемый механическими воздействиями, на порядок больше радиуса определенного оптическими требованиями, то при изготовлении и эксплуатации ОК радиус изгиба ОК будет определяться исходя из механических требований предъявляемых к ОВ.

3.4 Влияние внешних электромагнитных полей на ОВ

Распространено мнение, что внешним электромагнитным воздействиям подвержены только те ОК, которые имеют в своей конструкции металлические элементы. Между тем, под воздействием электромагнитного поля в ОВ изменяется плоскость поляризации света, что приводит к определенным нежелательным последствиям для передачи сигнала.

Известны явления вращения плоскости поляризации света в продольном магнитном (эффект Фарадея) и в поперечном электрическом (эффект Керра) полях. В следствии этого явления в ОВ возможно появление эффекта двойного лучепреломления и в результате - увеличение затухания передаваемого по ОК сигнала.

Источниками внешних электромагнитных полей являются: молнии, линии электропередачи, электрифицированные железные дороги, электромагнитное поле ядерного взрыва.

Следует отметить, что воздействие внешних полей создает и другие нелинейные эффекты, пропорциональные третьей и более высоким степеням Е и Н, но абсолютные величины этих эффектов невелики.

3.4.1 Явление поляризации света. Двойное лучепреломление

Свет - это электромагнитная волна. Векторы направленности электрического (Е) и магнитного (Н) поля электромагнитной волны расположены в плоскости, перпендикулярной направлению ее распространения и периодически изменяются по величине и направлению.

В естественном свете (свете, испускаемом обычными источниками) колебания различных направлений быстро и беспорядочно сменяют друг друга. Свет, в котором направления колебаний упорядочены каким-либо образом, называют поляризованным.

Если колебания светового вектора (Е) происходят только в одной, проходящей через луч, плоскости, свет называется плоско- или линейнополяризованным, а плоскость, перпендикулярную направлению колебаний - плоскостью поляризации.

При прохождении света через прозрачные кристаллы (в частности - через кварц) наблюдается явление двойного лучепреломления. Это явление заключается в том, что падающий на кристалл световой пучок разделяется внутри него на два, распространяющиеся с разными скоростями и в различных направлениях.

Кристаллы, обладающие двойным лучепреломлением, подразделяются на одноосные и двуосные. У одноосных кристаллов один из преломленных лучей подчиняется обычному закону преломления, в частности он лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. Этот луч называется обыкновенным (о). Для другого луча, называемого необыкновенным (е), отношения синусов угла падения и угла преломления не остается постоянным при изменении угла падения. У одноосных кристаллов имеется направление, вдоль которого обыкновенные и необыкновенные лучи распространяются не разделяясь и с одинаковой скоростью. Это направление называется оптической осью кристалла.

Двойное лучепреломление объясняется анизотропией кристаллов. Неодинаковое преломление обыкновенных и необыкновенных лучей указывает на различие для них показателей преломления. Обыкновенный луч распространяется по всем направлениям с одинаковой скоростью, и следовательно, показатель преломления для него есть величина постоянная. Для необыкновенного луча угол между направлением колебаний светового вектора и оптической осью не прямой и, следовательно, такие лучи распространяются по различным направлениям с различными скоростями и их показатель преломления является переменной величиной, зависящий от направлений луча.

Таким образом, различие в скоростях для всех направлений, кроме направления оптической оси (где ,) и обуславливает явление двойного лучепреломления в одноосных кристаллах.

Двойное лучепреломление имеет место в естественных анизотропных средах. Но также существуют различные способы получения искусственной оптической анизотропии. Оптические изотропные вещества становятся анизотропными, например, под действием электрического поля. Оптическая анизотропия характеризуется разностью показателей преломления обыкновенных и необыкновенных лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси.

Под воздействием электрического поля (эффект Керра) возникает разность показателей преломления и, пропорциональная квадрату напряженности поля Е:

,

где k - постоянная, характеризующая вещество.

На пути между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает разность хода:

,

или разность фаз

,

это выражение принято записывать в виде:

,

где В-характерная для вещества величина, называемая постоянной Керра.

Эффектом Керра называется явление оптической анизотропии у прозрачного изотропного твердого, жидкого или газообразного диэлектрика при помещении его во внешнее электрическое поле. Под действием однородного электрического поля диэлектрик поляризуется и приобретает оптические свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает по направлению с вектором Е напряженности поля. Разность показателей преломления поляризованного диэлектрика для необыкновенного и обыкновенного лучей монохроматического света, распространяющегося перпендикулярно вектора Е, удовлетворяет закону Керра:

,

где - длина волны света в вакууме, К - постоянная Керра.

При воздействии поперечного электрического поля плоскость поляризации поворачивается на угол

,

Где Е - напряженность внешнего поля;

l - толщина (или длина) находившегося под воздействием поля слоя вещества;

K - постоянная Керра.

Величина К может быть получена при рассмотрении процессов поляризации в веществе и зависит от длины волны и температуры. Для кварца К= 0,402 м/. Это значение К справедливо при длине волны = 1,55 мкм; = 1,5; Т=К.

Большие значения поперечного электрического поля возможны около точки удара молнии. Если удар молнии происходит на расстоянии а от трассы ОК, который расположен на глубине h, то напряженность электрического поля вблизи кабеля при однородном строении земли:

, [3.6]

где I - амплитуда тока молнии;

- удельное сопротивление земли.

Ось координат x направим вдоль оси кабеля, причем х = 0 - точка оси х, ближайшая к точке удара молнии на поверхности земли. Ось z направим вертикально вниз, а ось y перпендикулярно осям x и z.

Поперечная кабелю составляющая поля:

[3.7]

Изменение угла поляризации на длине dl будет:

. [3.8]

Так как воздействие поля происходит по обе стороны от точки О в сторону как положительных, так и отрицательных значений х, при интегрировании результат следует удвоить. Поскольку при интегрировании следует предположить, что длина кабеля L>>h, L>>a и a>>h (например, h = 1 м, a = 20 м, L = 100 м), то

, [3.9]

так как

Из (3.9) видно, что при близких ударах молнии величина практически не зависит от длины кабеля L, так как все изменения происходят на длине ОК, непосредственно примыкающей к точке удара молнии, т.е. на нескольких десятках или сотнях метров. Полагая I = 50 кА, = 1000 ОМм, а = 10 м, К= 0,402 м/, найдем . Как видно, воздействие молнии вызывает в ОК незначительный эффект Керра.

В случае линии электропередачи наибольшему воздействию подвергается кабель, подвешенный на опорах ЛЭП вблизи фазных проводов. Электрическое поле зависит от расстояний между проводами, количества цепей, порядка следования фаз и т.д. и в среднем имеет величину около 3…5 кВ/м. Длина кабеля, подверженного воздействию, может достигать длины регенерационного участка, т.е. нескольких десятков километров. Тогда составит величину до .

Поворот плоскости поляризации реально приведет к разделению передаваемой волны на два взаимно перпендикулярных луча разной амплитуды, в соответствии с величиной угла , и к появлению дополнительного затухания. Если при ударе молнии вносимое за счет электрического поля затухание невелико и длится не более нескольких долей секунды, то при воздействии высоковольтной линии оно вполне ощутимо и существует постоянно.

Наибольшую величину затухания ОК эффект Керра даст при воздействии электромагнитного поля высотного ядерного взрыва. При этом амплитуда электрического поля у поверхности земли может достигать величины в несколько десятков кВ/м на значительной площади. Расчеты показывают, что величина угла поворота плоскости поляризации в этом случае может составить десятки градусов. В течение времени действия электрического поля фактически изменится затухание линии, и чем больше длина подверженной влиянию линии, тем сильнее будет дополнительное затухание. После исчезновения поля прежние свойства линии должны восстановиться, если появление поля не сопровождалось какими-либо другими явлениями, приводящими к механическим повреждениям. Ввиду кратковременности процесса низкоскоростные системы передачи, возможно, не почувствуют этого воздействия, тогда как высокоскоростные, с большим числом каналов, потеряют часть информации.

Эффект Фарадея

Оптически неактивная среда приобретает под действием внешнего магнитного поля способность вращать плоскость поляризации света, распространяющегося вдоль направления поля. Это явление называется эффектом Фарадея, или магнитным вращением плоскости поляризации света.

Таким образом, наблюдаемый в оптических средах эффект Фарадея заключается в повороте плоскости поляризации света под действием магнитного поля.

Угол поворота плоскости поляризации пропорционален длине пути света в веществе и напряженности Н магнитного поля:

;

где V - коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Верде, который зависит от природы вещества и длины волны света;

l - длина пути, проходимого светом вдоль магнитных силовых линий, м.;

Н - напряженность магнитного поля, А/м.

Учитывая данные величины для кварцевого стекла с длиной волны = 1,55 мкм угол поворота плоскости поляризации примет вид:

= 1,66град. [3.10]

Общая картина полей при ударе молнии достаточно сложна. Однако нас вполне удовлетворяет приблизительная картина магнитного поля, растекающегося в земле вблизи ОК. Магнитные силовые линии имеют вид окружности с центром на оси, проходящей через точку удара молнии перпендикулярно поверхности земли. Вектор Н направлен по касательной к этой окружности. Если, как и в предыдущем случае, когда мы рассматривали электрическое поле, направить ось х по оси кабеля и считать, что удар молнии происходит на расстоянии а от трассы ОК, а кабель проложен вблизи поверхности земли, то составляющая поля земли, направленная вдоль кабеля:

[3.11]

На глубине прокладки кабеля h величина поля отличается от поля вблизи поверхности, при импульсах поля короткой длительности, с учетом как токов проводимости, так и токов смещения, приближенно можно принять, что поле на произвольной глубине z:

, [3.12]

где - поле у поверхности;

и - магнитная и диэлектрическая проницаемость среды;

- постоянная распространения поля в земле;

- удельная проводимость земли:=1/. Приближенно y = 56 1/м (- 1 /ОМм).

Запаздывание процесса во времени в данном случае не имеет значения, поэтому можем написать, что на глубине h:

, [3.13]

На длине dx происходит поворот плоскости поляризации на угол:

[3.14]

В области изменения х от - L до 0 поле направлено в ту же сторону, что и в области (0; L), поэтому общий поворот плоскости поляризации на длине от x = - L до x = L:

[3.15]

При L>>a можно считать, что , тогда [3.15] примет вид:

, [3.16]

Полагая I = 50 А, = ОМм, h = 1 м, из [3.16] найдем, что при = 1,55 мкм = 0, 392 град.

Как видно из полученного результата, величина в результате воздействия магнитного поля тока молнии незначительна. В общем случае при ударе молнии поворот плоскости поляризации происходит одновременно под воздействием электрического, так и магнитного полей, однако оба эти воздействия создают незначительный поворот - в пределах 1 град.

Как уже отмечалось, большую напряженность имеет магнитное поле у поверхности земли при высотных ядерных взрывах. Из формулы [3.10] при этом получаются весьма большие значения . Для точного расчета требуется определить область, в которой существует большая величина магнитного поля, определить направление вектора поля, его зависимость от удельного сопротивления и геофизической структуры земли, географической широты местности и других факторов.

При очень коротких импульсах электромагнитного поля высотного взрыва следует также учитывать искажение формы импульса поля не глубине h.

Таким образом, как и в случае с эффектом Керра, при эффекте Фарадея скорее всего возникает двойное лучепреломление и в конечном счете увеличивается затухание оптического кабеля.

4. Потери при соединении волоконных световодов

Практическое использование волоконно-оптических систем связи требует соединения волокон. Эти соединения имеют огромное значение для обеспечения высококачественной передачи и сокращения объема работ по технической эксплуатации.

Требования к волоконному соединению существенно отличаются от аналогичных требований к соединению медных кабелей. Затухания, вносимые на соединении волокон, могут оказать большое влияние на проектирование и работу ВОСП.

Существуют два вида соединений волоконных световодов. Разъемный соединитель (коннектор) - устройство, служащее для подключения волокна к источнику, детектору или к другому волокну. В его конструкции заложена возможность многократного подключения и отключения волокна. Неразъемный соединитель - устройство, предназначенное для постоянного соединения одного волокна с другим.

Требования к соединителям:

· Низкие потери: установка соединителей должна приводить к небольшим потерям оптической мощности на соединение;

· Простота устройства: соединители должны легко и быстро устанавливаться, не требуя дорогостоящего оборудования или дополнительного обучения персонала;

· Надежность: разъем должен гарантировать многократное подключение и отключение без изменения уровня потерь;

· Регламентируемость характеристик: потери должны быть регламентированы вне зависимости от времени установки соединения;

· Экономичность: цена соединителей и оборудования для их установки должна быть невысокой.

Требования к потерям на соединителе:

· 0,2 дБ и менее для телекоммуникационных систем или для дальних линий связи;

· 0,3 - 1 дБ для соединителей, используемых в контуре внутри здания: для локальных сетей или линий управления производством;

· 1 -3 дБ для соединителей в системах, где такого рода потери приемлемы и основным соображением выступает низкая стоимость.

Существуют три причины возникновения потерь в волоконно-оптическом соединении:

1. Внутренняя, или связанная с нестабильностью параметров самого волокна.

2. Внешняя, или связанная непосредственно с соединителем.

3. Системный фактор, отражающий параметры системы в целом.

4.1 Внутренние факторы потерь на соединении

Рассматривая соединение одного волокна с другим необходимо учитывать, что производство волокна оставляет некоторые допуски на воспроизводимость их параметров. На рисунке 4.1 схематически представлены вариации параметров волокон, наиболее важных с точки зрения их влияния на потери.

Потери, связанные с рассогласованием числовой апертуры (NA), происходят, если NA передающего волокна больше апертуры принимающего. На рисунке 4.2 дана зависимость затухания от рассогласования апертуры.

Апертура передающего волокна NA = 0, 275, NA - изменение апертуры принимающего волокна.



Рисунок 4.1. Внутренние причины потерь в соединении

Рисунок 4.2. Изменение затухания в зависимости от рассогласования апертуры

Затухание при рассогласовании апертуры определяется по формуле:

, [4.1]

- апертура принимающего, а - передающего волокна. Можно определить, что отклонение апертуры принимающего волокна на 5% приводит к затуханию 0, 455 дБ, что является достаточно большой величиной.

Потери, связанные с рассогласованием диаметров сердечников, возникают тогда, когда диаметр сердечника передающего волокна больше диаметра принимающего волокна.

Потери, связанные с этим рассогласованием, равны:

, [4.2]

где - диаметр сердцевины передающего волокна;

- диаметр сердцевины принимающего волокна;

На рисунке 4.3 представлена зависимость затухания от значений рассогласования сердцевины волокна, где - изменение диаметра сердечника, диаметр сердцевины передающего волокна d = 62,5 мкм.

Рисунок 4.3. Зависимость затухания от величины рассогласования диаметров сердцевины ОВ

Возможным источником потерь является также неконцентричность размещения волокна внутри оптической оболочки. В идеале, оси сердцевины и оболочки должны совпадать. Рассогласование, связанное с концентричностью, определяется расстоянием между центрами сердечника и оптической оболочки.

Эллиптичность (отклонение от формы идеального круга) формы сердечника и оболочки также является источником потерь. При одном соединении большие оси эллипсов могут повернуться и совпасть, тогда потери будут отсутствовать. В другом случае оси эллипсов могут быть перпендикулярными, тогда потери максимальны. Допустимое значение эллиптичности сердцевины и оптической оболочки равны отношению минимального значения диаметра к максимальному.

Данные вариации параметров существуют в каждом волокне, не смотря на технологический контроль, позволяющий избегать недопустимых отклонений этих параметров.

Таблица 4.1. Типичные допуски, влияющие на внутренние потери

Параметр	Допуск
Диаметр сердцевины (62,5 мкм)	3 мкм
Диаметр оптической оболочки (125 мкм)	2 мкм
Апертура (0,275)	0,015
Концентричность	3 мкм
Эллиптичность сердцевины	0,98
Эллиптичность оболочки	0,98

4.2 Внешние факторы потерь на соединениях ОВ

Потери в оптических соединениях возникают не только из-за отклонений геометрических размеров волокна от номинальных значений, но и из-за неизбежных погрешностей при монтаже соединений.

Четыре основные причины возникновения потерь в соединениях, которые необходимо контролировать:

1. боковое (радиальное) смещение;

2. зазор между торцами (сколами) волокон;

3. угловое рассогласование (смещение) ориентации осей;

4. гладкость поверхности скола.



Рисунок 4.4. Возможные дефекты сопряжения ОВ

Волокно в соединителе должно размещаться вдоль его центральной оси. Если центральная ось одного волокна не совпадает с центральной осью другого, то неизбежно возникновение потерь.

Если коэффициент передачи энергии от одного волокна к другому , причем для идеальных условий = 1, то будем иметь = 1 - L/P, где L - смещение; P - диаметр волокна.

Значение дополнительного затухания определяется по формуле:

, [4.3]

На рисунке 4.5 представлена зависимость затухания от отношения абсолютной величины смещения к диаметру волокна. [20]



Рисунок 4.5. Потери от бокового смещения волокон

Видно, что допустимое рассогласование становится меньше при уменьшении размера волокна. Относительное смещение в 10% приводит к потерям на уровне 0,5 дБ.

Очевидно, контроль бокового смещения особенно затруднен в волокнах малого диаметра. Производители соединителей стремятся ограничить смещение на уровне 5% от диаметра сердечника. В случае использования многомодового волокна со ступенчатым профилем преломления переданная мощность оптического излучения пропорциональна частному от деления суммарной площади поперечного сечения сердцевины волокон () на площадь одной из сердцевин (). С учетом этого вносимые потери на соединении равны:

, , [4.4]

где L - боковое смещение; R - радиус сердцевины.

Механизм потерь при соединении градиентных волокно более сложен, так как в этом случае потери, прежде всего, зависят от распределения мод в волокне. В случае, когда мощность излучения имеет максимальное значение в центре торца волокна и снижается до нуля ближе к границе «сердцевина-оболочка» значение вносимых потерь определяется:

, [4.5]

Соединение двух волокон, разделенных небольшим зазором, подвержено двум видам потерь: первый - Френелевское отражение, связанное с разницей показателей преломления волокон и среды в зазоре

(обычно воздух). На рисунке 4.6 изображены возвратные потери, при наличии зазора между торцами волокон [20].

Рисунок 4.6. Потери при Френелевском отражении

Френелевское отражение происходит как на выходе из первого волокна, так и на входе во второе волокно (возвратные потери). Возвратные потери представляют собой часть потерянной энергии, которая отражается от соединения и, меняет направление распространения на обратное.

В стеклянных волокнах, разделенных воздушным зазором, потери от Френелевского отражения составляют около 0,34 дБ.

Второй вид потерь связан с потерей мод высокого порядка при прохождении светом зазора и на входе в сердцевину второго волокна. Свет, выходя из первого волокна, распространяется в некотором конусе. Величина потерь, связанных с этим эффектом, зависит от величины апертуры волокна. Волокно с большим значением NA не допускает столь большого зазора между волокнами при этом же уровне потерь, что и волокно с меньшим значением NA.

Для случая с зазором между торцами волокон коэффициент передачи будет:

, [4.6]

где S - расстояние между торцами волокна,

- апертурный угол волокна.

Значение затухания выразится как:

.

Ослабление мощности при френелевских потерях:

, [4.7]

где - показатель преломления воздуха.

Поскольку существуют две границы раздела «волокно-воздух», то значение необходимо увеличить в 2 раза. Рисунок 4.7 показывает величины потерь, при зазоре между торцами волокна, от отношения длины зазора к диаметру волокна [20].



Рисунок 4.7. Потери от зазора между сколами

Учитывая особенности распространения излучения в градиентных и ступенчатых световодах, затухания вносимые зазором между соединенными волокнами будут вычисляться по формуле:

для градиентного световода:

, [4.8]

для градиентного световода:

, [4.9]

где S - продольное смещение;

- показатель преломления среды между волокнами;

R - радиус сердцевины волокна.

Торцы соединяемых волокон должны быть перпендикулярны осям волокна и параллельны друг другу при соединении. Потери представленные на рисунке 4.8 связаны с угловым рассогласованием ориентации волокон относительно друг друга. Уровень потерь определяется NA.



Рисунок 4.8. Потери от углового рассогласования ориентаций осей

Отметим, что здесь большее значение NA допускает большее угловое рассогласование для ограничения потерь на том же уровне, что и в случае меньшего значения апертуры.

Коэффициент передачи энергии от одного волокна к другому при угловом смешении равен:

,

где - угол смещения волокон;

- апертурный угол волокна.

Потери на соединение составят:

.

Поверхность скола должна быть гладкой и не содержать дефекты типа трещин, выбоин и заусенец. Неровная поверхность разрушает геометрическую картину световых лучей и рассеивает их, что затрудняет ввод лучей во второе волокно.

При строительстве ВОЛП, для соединения ОВ часто применяется их сварка в электродуговом разряде. Сварные соединения позволяют добиваться очень точного (контролируемого компьютером) расположения волокон, что в свою очередь, определяет их чрезвычайно низкие потери на уровне 0,05 дБ. Поскольку сварные соединения сопровождаются расплавлением волокон, то полностью исчезает проблема обратного отражения (френелевские потери).