Микроизгиб оптического волокна и улучшение конструкции оптического волокна

Оптические волокна считаются отличным средством передачи широкополосных сигналов на большие расстояния. Ключевым свойством, которое обеспечивает такую производительность, является низкий коэффициент затухания оптического волокна. Важно поддерживать низкий коэффициент затухания в волокне в ходе не только строительства, а и на этапе эксплуатации волоконно-оптической кабельной линии. Микроизгиб оптического волокна является распространенной причиной затухания, когда волокно отклоняется от прямой оси.

Некоторые случаи изгибания волокна являются неизбежными, например, во время транспортировки и хранения, производства и монтажа волоконно-оптического кабеля, а также заделывания волокон в муфты и оптические кроссы. Понимание фундаментальной сущности микроизгиба оптического волокна позволит разрабатывать такие решения, которые смогут поддерживать хороший коэффициент затухания оптического волокна. Существует несколько вариантов конструкции волокна, которые позволяют повысить его устойчивость к микроизгибанию.

Сущность микроизгиба оптиеческого волокна

Микроизгиб – это механизм увеличения коэффициента затухания, вызванного интенсивными продольными нагрузками на волокно (Рис. 1). Нагрузки приводят к изгибанию сердцевины волокна малого радиуса, которое в случае одномодового волокна вызывает сопряжение энергии основной моды (LP01) с модами более высокого порядка. Эти нагрузки вызываются продольным соприкосновением с такими поверхностями как оптический кабель.

Рис. 1 Схематическое представление микроизгиба

Как правило, отклонения, которые становятся причиной микроизгиба, меньше 1 мм в радиусе и обычно описываются в виде произвольной переменной с диапазоном расстояний и амплитуды. Устойчивость волокна к микроизгибу определяется значениями спектральной плотности мощности (PSD) этой произвольной переменной, а также геометрией волокна и его коэффициентом преломления.

Для понимания физической природы микроизгиба проведите стилусом вдоль контактной поверхности волокна, чтобы определить ее шероховатость, а также высоту “шишек” или выпуклостей на контрольном участке волокна. После преобразования профиля показателей длины и высоты методом Фурье получаем спектр пространственных периодов тестируемой поверхности. Смотрите Рисунок 2. На левом графике показан профиль показателей длины и высоты, т.e., измеренный разброс показателей длины и высоты поверхности возмущений. На правом графике показаны значения спектральной плотности мощности  PSD данных, показанных на левом графике после преобразования Фурье.

Рисунок 2.  Значениями спектральной плотности мощности. Слева показаны примеры измерения профиля, а справа преобразование Фурье

Микроизгиб отличается от макроизгиба, еще одного механизма, который определяет зависимость коэффициента затухания от изгибания оптического волокна. Долгопериодичные возмущения (> 1 мм) не дают правильного резонанса для сопряжения светового сигнала с оболочечными модами с помощью микроизгиба, но могут вызвать макроизгиб.

Короткопериодичные возмущения (< 200 μm) охватываются волокном и, как правило, имеют небольшое воздействие на затухание. Пространственные периоды в интервале от 0.2 до 1 мм являются наиболее критичными для микроизгиба, потому что они могут затрагивать оболочечные моды и деформировать оптическую сердцевину.

Параметры и свойства волокна, которые влияют на микроизгибы

В приведенном ниже уравнении показаны несколько проектных решений, которые позволяют повысить устойчивость оптического волокна к микроизгибам.

(уравнение 1)

 

где γ – это увеличение коэффициента затухания, вызванное микроизгибами, N – это число неровностей средней высоты (h) на единицу длины, b – общий диаметр волокна, a – радиус сердцевины, Δ – разность коэффициента преломления волокна, а Ef и E – модули упругости волокна и материала, окружающего это волокно (т.e. оболочки), соответственно.

Как видно из уравнения (1), приведенного выше, радиус сердцевины и разность коэффициента преломления в сильной степени влияют на устойчивость волокна к микроизгибам. См. Рис. 3. Синими квадратами представлены результаты испытаний на микроизгибы, проводимых на коммерческом одномодовом волокне, которое соответствует требованиям рекомендации ITU-T Recommendation G.652 Таблица D.

Красными ромбами представлены результаты тестирования волокна, соответствующего рекомендации ITU-T Recommendation G.657. A1. На оси абсцисс показаны “MAC-значения”, соотношение диаметра модового пятна или поля и пороговой длины волны, выраженное в общепринятых единицах измерения.

Профили показателей преломления двух волокон очень похожи; волокно, которое соответствует рекомендации Rec. G. 657. A1, имеет меньший радиус сердцевины и более высокую разность показателей преломления, и, соответственно, меньшее значение MAC. Как следует из уравнения (1), волокно, которое соответствует рекомендации Rec. G. 657. A1, имеет более высокую устойчивость к микроизгибам. Эта зависимость также отмечалась в научной литературе.

Однако, существуют практические ограничения на повышение устойчивости к микроизгибанию с помощью изменения радиуса сердцевины и профиля показателей преломления. Они определяют номинальные оптические свойства волокна, и отраслевые стандарты делают их обязательными для данного типа волокна или кабеля. Например, в рекомендации ITU-T Recommendation G.652 определяются такие значения рассеивания, диаметра модового поля или пятна, а также пороговой длины волны, что возможность одновременного изменения значений a и Δ в уравнении (1) и следования стандарту данного продукта является ограниченной.

Увеличение диаметра оболочки оптического волокна

Изменение характеристик оболочки волоконно-оптического кабеля представляет собой еще одну возможность повышения устойчивости к микроизгибу. Исходя из уравнения (1), очевидным решением является увеличение диаметра оболочки. На самом деле, большие изменения диаметра оболочки могут сильно отражаться на устойчивости к микроизгибанию.

Рисунок 3. Результат микроизгибов для ITU T по рекомендации G.652 и G.657

На Рис. 4 показаны результаты испытаний на микроизгибы, которые проводились на одномодовых волокнах с диаметром оболочки 250 мкм, 500 мкм и 900 мкм. Когда к тестовым образцам прикладывалась нагрузка, коэффициент затухания увеличивался намного быстрее в случае образцов с меньшим диаметром оболочки.

Рисунок 4. Результаты испытаний на микроизгибы, которые проводились на одномодовых волокнах со значениями диаметра оболочки 250 μm, 500 μm, и 900 μm

Однако отраслевые стандарты опять же ограничивают возможность применения этого метода. По стандартам IEC и ITU-T диаметр оболочки волокна должен быть около 250 μm. Обычной практикой производителей оптических кабелей является использование этого стандарта и увеличение диаметра оболочки до 900 μm. В этом случае можно ожидать направленного повышения устойчивости к микроизгибам, которое показано на Рис. 4, при увеличении диаметра оболочки от 250 μm до 900 μm.

Изменение упругости волокна и оболочки

Следующей возможностью, которая позволяет повысить устойчивость волокна к микроизгибу и представлены в уравнении (1), является изменение модуля упругости волокна и оболочки. Все современные оптические кабели телекоммуникационного класса являются силиконовыми; таким образом, параметр Ef является неприменимым в этом случае.

Остается параметр E, модуль упругости оболочки; и, действительно, в результате проведенных исследований выяснилось, что с помощью меньшего модуля упругости оболочки можно уменьшить коэффициент затухания, ставший результатом микроизгибания. Самым распространенным методом является уменьшение модуля упругости внутренней первичной оболочки, т.e., материала, который окружает световод.

Результаты изменения модулей упругости внутренней первичной оболочки можно увидеть на Рис. 5, где показаны результаты тестирования волокон, которые соответствуют рекомендации ITU-T Recommendation G.652, с высокими и низкими модулями упругости оболочки. Обратите внимание, что небольшие отклонения от номинального диаметра не отражаются на параметрах микроизгибания. На Рис. 5 кабели с диаметром 242 μm имеют лучшие результаты, а кабели с диаметром 245 μm — худшие.

Рисунок 5. Результаты изменения модулей упругости внутренней первичной оболочки

Однако, одной оболочки с низким модулем упругости не достаточно для предотвращения микроизгибания. Неправильная структура, материал или применение оболочки могут минимизировать преимущества низкого модуля упругости. На Рис. 6 показаны результаты испытаний на микроизгиб экспериментального волокна с одинаковой оболочкой, но тремя разными конфигурациями. Та же самая оболочка, которая обеспечивает превосходные показатели в случае образца A, дает плохие результаты в случае образцов B и C, в которых конечный продукт имеет ненадлежащую конструкцию.

Рисунок 6. Результаты испытаний на микроизгиб экспериментального волокна с одинаковой оболочкой, но тремя разными конфигурациями

В конце, все имеющиеся переменные — конструкция оптического волокна, оболочка, производство и каблирование необходимо оптимизировать таким образом, чтобы предотвратить увеличение коэффициента затухания в результате эксплуатационного изгиба. Это видно на Рис. 7, где показаны результаты испытания на микроизгибание нескольких типов волокон и оболочек. Здесь показаны те же самые данные, что и на Рис. 3, за исключением результатов тестирования волокна, соответствующего рекомендации ITU-T Recommendation G. 657. B3 (радиус изгиба равен 5 мм), которое, фактически, имеет стандартную оболочку, которая в большей степени подвержена микроизгибам, чем образцы, показанные на Рис. 3. Тем не менее, в этом случае высокая устойчивость к микроизгибам, соответствующая профилю показателя преломления, описанному в рекомендации Rec. G. 657. B3 компенсирует меньшую устойчивость оболочки к микроизгибам и позволяет получить оптический кабель с более высокой устойчивостью к микроизгибам.

Рисунок 7. Результаты испытания на микроизгиб нескольких типов волокон и оболочек

Заключение

Понимание и контролирование изменений коэффициента затухания, вызванных изгибанием световода имеет очень важное значение для поддержания исходного коэффициента затухания оптического волокна. Микроизгиб – это ключевой фактор, который способствует увеличению коэффициента затухания оптического волокна. Обеспечение высокой устойчивости продукта к микроизгибанию не должно ограничиваться простой спецификацией оболочки оптического волокна; оно требует, чтобы конечный продукт проектировался, производился и тестировался в соответствии с самыми передовыми технологиями.


Поделиться информацией

Вы можете послать эту статью или новость коллеге или знакомому по email со своим комментарием, пригласить обсудить ее. Просто нажмите на иконку конверта --->


Сообщения, вопросы и ответы

Вы можете задать вопрос, написать комментарий, обсудить данную новость или статью.

Ваше сообщение (вопрос, ответ, комментарий)

  1. CJjase 19.02.2016 в 07:32

    Метод расчета оптимальной величины избыточной длины оптического волокна в оптическом кабеле с учетом диапазона рабочих температур.

  2. Сергей Глаголев 02.08.2016 в 17:39

    (подписан на сообщения)

    Материал понравился. Прошу указать, как на него ссылаться в публикациях.

    • Дмитрий Мацкевич 26.10.2016 в 18:17

      (подписан на сообщения)

      Сергей

      Спасибо за оценку и желание цивилизованно поойти к вопросу

      Просто ставить активную ссылку на эту статью на своем ресурсе и указываете автора.