Втрати на згибах волоконних світоводів.

Зависимость потерь от диаметра петельки (одиночной) в одномодовом во­локне, измеренная на λ= 1300 нм, приведена на рис. 1.4. При боль­ших значениях диаметров петельки потери не зависят от ее диамет­ра. Однако когда диаметр петельки уменьшается до критического зна­чения (10...20 мм), потери начинают быстро увеличиваться.

Потери при изгибании волокна возникают по двум причинам. Во-первых, потери возникают в месте соединения прямого и изогнутого волокна. Обусловлены они тем, что в изогнутом волокне центр модового пятна смещен относительно оси волокна на некую величину d, зависящую от радиуса изгиба волокна (рис. 1.5). В результате модовые пятна прямого и изогнутого волокна в месте их соединения оказываются смещенными друг относительно друга также на величи­ну d. Поэтому только часть мощности моды «прямого» волокна передается моде изогнутого волокна, а остальная же мощ­ность преобразуется в оболочечные моды и в конечном счете теря­ется.

Во-вторых, мощность теряется и непосредственно в изогнутом во­локне. Происходит это из-за того, что в изогнутом волокне периферийная часть моды распространяется со скоростью больше скорости света в среде (в оболочке). Эта часть моды излучается в оболочку во­локна и в конечном счете теряется (рис. 1.6). Величина этих потерь тем больше, чем больше число витков волокна и чем меньше ради­ус изгиба волокна.

Таким образом, потери в изогнутом волокне возникают из-за двух различных механизмов. В первом случае потери зависят только от ра­диуса изгиба волокна и не зависят от числа витков. А во втором слу­чае они зависят и от радиуса изгиба, и от числа витков.

Рис. 1.4 Рис. 1.5 Рис.1.6

Световоды на изгибах теряют мощность на излучение. Это приводит к дополнительным потерям, которые могут быть малы, если радиус кривизны изгиба достаточно велик.

Рассмотрим основные физические принципы, объясняющие по­явление потерь при изгибе световода. Как известно, часть мощ­ности, передаваемой по световоду, распространяется вне области сердечника. Если рабочая частота далека от частоты отсечки мо­ды, то эта же часть мощности будет очень малой. Электромагнит­ное поле вне сердечника спадает по экспоненциальному закону в поперечном направлении от оси световода. Но даже на значи­тельных расстояниях от световода имеет место малое, по конечное значение мощности излучения.

На рис. 2.19 схематически показан изогнутый участок светово­да, где штриховые линии являются плоскостями постоянной фа­зы. Скорость распространения волны на этом участке меньше скорости плоских волн в среде, окружающей сердечник. Можно изобразить движение фазовых фронтов изогнутого участка свето­вода так, как если бы их плоскости пересекались в центре кри­визны и вращались вокруг этого центра. Естественно, что ско­рость движения фазового фронта на топ границе световода, ко­торая ближе к центру кривизны, будет меньше фазовой скорости моды в прямом волноводе, а по другую границу световода • больше и по мере увеличения расстояния от центра кривизны фа­зовая скорость возрастает. На некотором расстоянии от центра кривизны скорость фазового фронта будет равняться скорости плоской волны в среде, окружающей световод. Так как электро­магнитная волна не может распространяться со скоростью, пре­вышающей скорость плоской волны в окружающей среде, то эта часть поля отделяется от ноля направляемой моды и излучается в окружающее пространство. Таким образом, изгибы световодов вызывают увеличение электромагнитной связи между направляе­мыми модами и модами излучения, изменяя модовое распределе­ние, в результате чего увеличиваются потери на излучение.

Для оценки потерь аи, дБ, па изгибе радиуса R в многомодо-вом световоде можно воспользоваться приближенной формулой

где g=1 и 2 для световодов со степенным и ступенчатым профи­лями показателя преломления соответственно. Так, при 2а = 50

и дельта=0,01 и R =22 см получаем ан=0,1 и 0,2 дБ для светово-дов со степенным ступенчатым профилями показателя преломления

В процессе покрытия световода различными защитными обо-дочками, а также при изготовлении и прокладке оптических ка-белей возникают малые отклонения оси световода от прямой ли-линии, которые называют микроизгибами.

Потреи альфа дБ, вызванные хаотическими изгибами с экспонеп-поненциальной корреляционной функцией

Кабельные потери существенно зависят от при­нятой технологии производства, конструкции кабеля и качества из­готовления. Их можно классифицировать примерно по следующей схеме:

a1 — вследствие микроизгибов оптических волокон;

a2— вследствие макроизгибов волокон и других нарушений их прямолинейности;

Микроизгибы (рис. 2.16, а) представляют собой мелкие локаль­ные нарушения прямолинейности волокна, характеризующие сме­щение его оси в поперечных направлениях на участке микроизгиба. Микроизгибы обусловлены конструктивно-технологическими неоднородностями, возникающими при изготовлении как кабеля, так и самого волокна и в процессе его хранения и транспортировки. Дополнительное затухание за счет потерь при микроизгибах определяется формулой, дБ,

где h — высота (радиус) микроизгиба; a—радиус сердечник световода; b — диаметр световода; N — число микроизгибов. При достаточно хорошо отработанной технологии производства оптических кабелей потери на микроизгибы сравнительно невелики.

Макроизгибы (рис. 2.16,б) обусловлены скруткой оптических волокон по длине кабеля, а также наличием изгибов и нерегулярностей по длине кабеля. Здесь радиус изгиба существенно больше диаметра волокна. Дополнительное затухание за счет потерь на макроизгибах может быть определено по формуле, дБ,

где R = Rиз/(2а), Rиз — радиус изгиба кабеля; а — радиус сердечника волокна; n1,n2 — показатели преломления сердечника и оболочки волокна.

41. Втрати що виникають при стиковці одномодових волоконних світловодів. Роз'ємні та нероз'ємні з'єднання волоконних світловодів.

Соединение отрезков ВОК может быть выполнено неразъемным или разъемным. Неразъемное соединение – это постоянное сращивание, при котором два ВС или кабеля жестко фиксируются друг с другом. Разъемное соединение допускает многократное соединение и разъединение и имеет в своей конструкции некоторый механизм соединений.

Для соединения ВС с близкими поперечными разъемами и ППП достаточно совместить их оси к торцу сердцевины одного ВС подвести торец сердцевины второго ВС. При значительном рассогласовании параметров между ВС необходимо расположить специальный переход.

Ослабления сигнала при соединении ВС вызывается потерями из-за различия их параметров и несовершенства стыковки. К первой группе причин ослабления относится различие числовых апертур, диаметров сердцевин и оболочек, соединяемых ВС, неконцентричность и эллиптичность сердцевины, отражение Френеля. Ко второй группе причин ослабления относятся нарушения взаимного положения ВС (радиальное и продольное смещение торцов, угол между осями) и некачественное обработка поверхности торцов.

При боковом (поперечном) смещении осей ВС площадь пересечения их сердцевин уменьшается. При условии что все моды многомодового ВС со ступенчатым ППП переносят одинаковую мощность, можно считать, что возникающие в стыке потери могут быть определены отношением площади пересечения к полной площади сердцевины: ,

Где х – линейное смещение осей, а – радиус сердцевины. Потери на стыках градиентных ВС из-за поперечного смещения осей выше, чем потери, наблюдаемые для однородных ВС (т.к. при смещении в каждой точке апертуры будут различны). Если локальная апертура передающего ВС больше, чем приемного, то последний не сможет принимать излучение, падающее вне его локальной апертуры). Потери, вызванные боковым смещением осей одномодовых ВС, зависят от протяженности поля в поперечном сечении. Зависимость этих потерь от бокового смещения в одномодовом ВС со ступенчатым ВС приведена на рис.3. Потери в стыках ВС существенно зависят от поперечного смещения (сдвиг 30% - потери 0.5 дБ).

Потери при угловом рассогласовании стыкуемых однородных двухслойных ВС можно наблюдать на рис.4 для световодов с ПП сердцевины равной 1.5, относительная разность ПП ∆=0.005 и 0.03. Потери растут с ростом ∆.

На потери в соединении ВС влияет также зазор между торцами. Это связано с расходимостью излучаемого ВС пучка. Однако это влияние менее существенно по сравнению с поперечным и угловым рассогласованиями.

Потери, вызванные различием стыкуемых ВС, не зависит от конструкции соединения. Они уменьшаются по мере усовершенствования технологии.

Соединение отрезков ВОК может быть выполнено неразъемным или разъемным. Неразъемное соединение – это постоянное сращивание, при котором два ВС или кабеля жестко фиксируются друг с другом. Разъемное соединение допускает многократное соединение и разъединение и имеет в своей конструкции некоторый механизм соединений.

Ослабления сигнала при соединении ВС вызывается потерями из-за различия их параметров и несовершенства стыковки. К первой группе причин ослабления относится различие числовых апертур, диаметров сердцевин и оболочек, соединяемых ВС, неконцентричность и эллиптичность сердцевины, отражение Френеля. Ко второй группе причин ослабления относятся нарушения взаимного положения ВС (радиальное и продольное смещение торцов, угол между осями) и некачественное обработка поверхности торцов.

При боковом (поперечном) смещении осей ВС площадь пересечения их сердцевин уменьшается. При условии что все моды многомодового ВС со ступенчатым ППП переносят одинаковую мощность, можно считать, что возникающие в стыке потери могут быть определены отношением площади пересечения к полной площади сердцевины:

Где х – линейное смещение осей, а – радиус сердцевины. Эта зависимость представлена на рис.1.

Потери на стыках градиентных ВС из-за поперечного смещения осей выше, чем потери, наблюдаемые для однородных ВС (т.к. при смещении в каждой точке апертуры будут различны). Если локальная апертура передающего ВС больше, чем приемного, то последний не сможет принимать излучение, падающее вне его локальной апертуры).

Потери, вызванные боковым смещением осей одномодовых ВС, зависят от протяженности поля в поперечном сечении. Потери в стыках ВС существенно зависят от поперечного смещения (сдвиг 30% - потери 0.5 дБ).

Потери при угловом рассогласовании стыкуемых однородных двухслойных ВС можно наблюдать на рис.4 для световодов с ПП сердцевины равной 1.5, относительная разность ПП ∆=0.005 и 0.03. Потери растут с ростом ∆.

На потери в соединении ВС влияет также зазор между торцами. Это связано с расходимостью излучаемого ВС пучка. Однако это влияние менее существенно по сравнению с поперечным и угловым рассогласованиями.

Потери, вызванные различием стыкуемых ВС, не зависит от конструкции соединения. Они уменьшаются по мере усовершенствования технологии