Propiedades geométricas y ópticas de las fibras ópticas.
Propiedades geométricas
Las características geométricas defibras ópticasestán estrechamente relacionados con la construcción y las conexiones-de baja pérdida. Estas características geométricas incluyen el diámetro del núcleo, las dimensiones del revestimiento, la concentricidad de la fibra y la falta de circularidad.
(1) Diámetro del núcleo: El diámetro del núcleo es un requisito para las fibras ópticas multimodo. ITU-T especifica el diámetro del núcleo de las fibras ópticas multimodo como (50 ± 3) μm.
(2) Diámetro exterior: El diámetro exterior de la fibra óptica se refiere al diámetro de la fibra desnuda. Independientemente de si se trata de fibra multimodo o monomodo-, ITU-T especifica el diámetro exterior de las fibras ópticas utilizadas para la comunicación como (125 + 3) μm.
(3) Concentricidad de la fibra y circularidad fuera-de-: la concentricidad es la relación entre la distancia entre el centro del núcleo y el centro del revestimiento y el diámetro del núcleo. Fuera-de-circularidad incluye la fuera-de-circularidad del núcleo y el revestimiento, y se puede expresar mediante la siguiente fórmula:
En la fórmula, Dmáximoy Dmín.son los diámetros máximo y mínimo del núcleo (revestimiento); Dcoes el diámetro estándar del núcleo (revestimiento).
UIT-T especifica que: el error de concentricidad de la fibra multimodo debe ser inferior al 6 %; la no-circularidad principal debe ser inferior al 6 % (incluido el modo único-); la no-circularidad del revestimiento debe ser inferior al 2%; y el error de concentricidad de la fibra monomodo-debe ser de 1 μm.
Propiedades ópticas
Las propiedades ópticas de las fibras ópticas son un factor crucial que determina su rendimiento de transmisión.
(1) Distribución del índice de refracción: la distribución del índice de refracción de las fibras multimodo determina el ancho de banda de la fibra y la pérdida de conexión; la distribución del índice de refracción de las fibras monomodo-determina la selección de la longitud de onda operativa. La fórmula general para el índice de refracción de las fibras ópticas es:
En la fórmula, es la distancia desde el eje de la fibra; n(0) es el índice de refracción del núcleo de la fibra cuando r=0; g es el índice de distribución del índice de refracción, que tiene diferentes valores que dan como resultado diferentes distribuciones del índice de refracción, como se muestra en la Figura 2-2; es el radio del núcleo de la fibra (μm); y △ es la diferencia relativa del índice de refracción.
Índice de refracción central: cuando r <,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)g]1/2
Índice de refracción del revestimiento: cuando r Mayor o igual a ,n=n(r)=n(0)[1-2△]1/2
(2) La apertura numérica (NA) de la fibra óptica está estrechamente relacionada con la eficiencia del acoplamiento de la fuente de luz, la sensibilidad de la pérdida de la fibra a la microflexión y el ancho de banda. Una apertura numérica más grande facilita el acoplamiento, reduce la sensibilidad a la microflexión y da como resultado un ancho de banda más estrecho. La apertura numérica teórica máxima se define de la siguiente manera:
En la fórmula, n es el índice de refracción del núcleo uniforme de la fibra de índice escalonado- (el índice de refracción n(0) del centro del núcleo de la fibra de índice-graduada); ng es el índice de refracción del revestimiento uniforme.
(3) Diámetro del campo modal El diámetro del campo modal puede definirse mediante la función de transferencia del campo modal fundamental Ea, es decir, el ancho entre dos puntos 1/é en la curva de la relación entre la función de transferencia del campo modal fundamental Ea y el radial r es el diámetro del campo modal.
Estimación del diámetro del campo del molde:2S.=2入/(πn√△)
En la fibra monomodo-, se utiliza el diámetro del campo modal en lugar del diámetro del núcleo. La razón es que las fibras con el mismo diámetro de núcleo tendrán diferentes distribuciones de campo modal bajo diferentes distribuciones de índice de refracción, y el rendimiento de transmisión de la fibra depende de la distribución de campo modal.
Para la construcción, si el diámetro del campo modal no coincide en la conexión de fibra, una desviación grande aumentará la pérdida de conexión. ITU-T especifica el diámetro del campo modal como (9-10) ± 1 μm.
(4) Longitud de onda de corte (Condición de transmisión monomodo-) La longitud de onda de corte es la condición para que la fibra monomodo-garantice la transmisión monomodo-. Más allá de esta longitud de onda, el modo LP de segundo-orden ya no se propaga. La longitud de onda de corte se diferencia de otros parámetros en que no es constante sino que cambia con la longitud. Esto requiere que la longitud de onda de corte de la fibra monomodo- sea menor que la longitud de onda operativa del sistema de comunicación óptica. Actualmente, la longitud de onda de corte de la fibra monomodo-es de 1,10 ~ 1,28 µm, determinada por la diferencia relativa del índice de refracción Δ y la forma de la sección transversal-.
Efectos no lineales de las fibras ópticas.
En los sistemas de comunicación de fibra óptica de alta-capacidad y alta-velocidad de multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) actuales con amplificadores de fibra dopada con erbio-, las fibras ópticas transmiten múltiples longitudes de onda y alta potencia. Esta alta potencia óptica puede provocar diversos efectos no lineales debido a la interacción entre la señal y la fibra. Si estos efectos no lineales no se suprimen adecuadamente, pueden afectar gravemente al rendimiento del sistema y limitar la distancia del repetidor regenerable. La linealidad o no linealidad se refiere a las propiedades de la luz dentro del medio de transmisión, no a las propiedades de la luz en sí. Sin embargo, la presencia de un campo óptico altera las propiedades del medio. Cuando un medio se somete a un campo óptico fuerte, los electrones dentro de los átomos o moléculas que componen el medio se desplazan o vibran, provocando polarización. Las ondas dipolares aparecen dentro del medio polarizado, y estos dipolos irradian ondas electromagnéticas de la misma frecuencia, que se superponen al campo incidente original, convirtiéndose en el campo óptico total dentro del medio. Esto demuestra que los cambios en las propiedades del medio, a su vez, afectan al campo óptico.
Los efectos no lineales de las fibras ópticas se pueden dividir en dos categorías: dispersión estimulada y perturbación del índice de refracción.
◇La dispersión estimulada ocurre en sistemas modulados donde las señales ópticas interactúan con ondas acústicas o vibraciones del sistema en fibras ópticas; es decir, el campo óptico transfiere algo de energía al medio no lineal. La dispersión Raman estimulada y la dispersión Brillouin estimulada pertenecen a esta categoría.
La dispersión Raman estimulada (SRS) es causada por la modulación (interacción) de vibraciones moleculares en el medio de la luz incidente (llamada luz de bomba), lo que resulta en la dispersión de la luz incidente. Sea la frecuencia de la luz incidente y la frecuencia de las vibraciones moleculares del medio sea ν, entonces las frecuencias de la luz dispersada son ∞=∞∞ y ν=∞, +∞. Este fenómeno se denomina dispersión Raman estimulada. La luz dispersada con una frecuencia de ∞ se llama onda de Stokes; la luz dispersada con una frecuencia de ν se llama anti-onda de Stokes.
◇Bajo potencia óptica baja, el índice de refracción de la fibra de vidrio de sílice permanece constante debido a la perturbación del índice de refracción. Sin embargo, cuando se utiliza un amplificador de fibra con balasto para obtener una alta potencia óptica, cambiar la intensidad de la señal transmitida puede inducir un cambio en el índice de refracción de la fibra. Tres efectos no lineales causados por la perturbación del índice de refracción son la auto-modulación de fase (SPM), la modulación de-fase cruzada (CPM) y la mezcla de cuatro-ondas.
La automodulación de fase (SPM) se refiere al fenómeno en el que la fase del pulso óptico cambia durante la transmisión, lo que lleva a un ensanchamiento espectral del pulso. La GDS está estrechamente relacionada con el autocentramiento-; si es grave, en los sistemas de multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM), el ensanchamiento espectral puede superponerse a canales adyacentes.
Propiedades mecánicas y de temperatura de las fibras ópticas.
Propiedades mecánicas de las fibras ópticas.
Las propiedades mecánicas de las fibras ópticas son cruciales. Las fibras ópticas de cuarzo utilizadas en las comunicaciones son finos filamentos de vidrio con un diámetro exterior de aproximadamente 125 μm. El vidrio es un material muy duro, no-dúctil y quebradizo. Su límite de resistencia está determinado por la fuerza de unión de los enlaces Si-O dentro de su estructura. Teóricamente, la tensión necesaria para romper los enlaces atómicos de Si-O se estima en 19600-24500 N/mm²; por lo tanto, una fibra óptica con un diámetro exterior de aproximadamente 125 μm puede soportar una resistencia a la tracción de 294 N. Sin embargo, inevitablemente existen grietas en la superficie o en el interior de las fibras ópticas reales. Cuando la fibra se somete a una fuerza externa, incluso una microfisura muy pequeña puede expandirse y propagarse, provocando una rotura catastrófica, lo que reduce en gran medida la resistencia a la rotura de la fibra (aproximadamente 1/4 del valor teórico). Por lo tanto, desde el desarrollo hasta la aplicación-a gran escala de las fibras ópticas, se han invertido importantes esfuerzos, recursos y financiación para superar estos desafíos. Actualmente, los departamentos de investigación, fabricación, cableado y construcción están investigando más a fondo cómo mejorar la resistencia a la tracción y la vida útil de las fibras ópticas.
La resistencia a la tracción de las fibras ópticas disponibles comercialmente no debe ser inferior a 2,35 N de fuerza de tracción. Actualmente, la resistencia a la tracción de las fibras ópticas disponibles comercialmente ha alcanzado el 0,5% de deformación, o 432 g de fuerza de tracción. Las fibras ópticas utilizadas en el país para proyectos de ingeniería generalmente tienen una resistencia a la tracción superior a 400 g de fuerza de tracción. Las fibras ópticas extranjeras de mejor calidad tienen resistencias a la tracción superiores a 700 g de fuerza de tracción, y las fibras utilizadas para cables submarinos requieren resistencias aún mayores. Estos requisitos de resistencia a la tracción de las fibras ópticas se logran mediante métodos de cribado durante el proceso de fabricación de la fibra.
La vida útil de la fibra óptica se conoce comúnmente como vida útil. Desde una perspectiva de rendimiento mecánico, la vida útil se refiere a su vida útil a la fractura. En la fabricación e ingeniería de fibras y cables ópticos, generalmente se diseña una vida útil de 20 años. Sin embargo, la vida útil real de las fibras ópticas no es del todo constante debido a la influencia del entorno operativo (como la temperatura, la humedad y la fatiga estática y dinámica). Las estimaciones actuales sugieren que las fibras ópticas diseñadas para una vida útil de 20 años pueden en realidad durar entre 30 y 40 años.
Características de temperatura de las fibras ópticas.
Las características de temperatura de la fibra óptica se refieren al impacto de las temperaturas altas y bajas en la pérdida de la fibra, lo que generalmente resulta en una mayor pérdida. La pérdida de fibra aumenta en condiciones de alta y baja temperatura porque los materiales utilizados en el revestimiento y revestimiento de la fibra son resinas y plásticos orgánicos, que tienen coeficientes de contracción y expansión mucho mayores que el cuarzo. Por lo tanto, a bajas temperaturas, la fibra experimenta una fuerza de compresión axial, lo que provoca una micro-flexión, mientras que a altas temperaturas, experimenta una fuerza de elongación axial, lo que genera tensión y conduce a una mayor pérdida. Las características de temperatura de la fibra óptica muestran que a medida que disminuye la temperatura, también aumenta la pérdida de fibra. Cuando la temperatura desciende a alrededor de -55 grados, la pérdida aumenta dramáticamente, haciendo que el sistema sea inutilizable. Actualmente, las características de baja-temperatura de las fibras ópticas han alcanzado un buen nivel; generalmente, a -20 grados, el aumento de la pérdida es inferior a 0,1 dB/km, y para fibras de alta calidad, es inferior a 0,05 dB/km.
El rendimiento de las fibras ópticas a baja-temperatura es crucial. En el caso de las líneas y cables ópticos aéreos de las regiones del norte, un rendimiento deficiente a bajas temperaturas- afectará gravemente la calidad de la comunicación. Por lo tanto, durante la fabricación de fibra óptica, es esencial seleccionar materiales de revestimiento y revestimiento adecuados y mejorar los procesos. En el diseño de ingeniería, es imperativo seleccionar fibras ópticas con excelentes características.
