Optik fiberlerin geometrik ve optik özellikleri
Geometrik özellikler
Geometrik özelliklerioptik liflerinşaat ve{0}düşük kayıplı bağlantılarla yakından ilgilidir. Bu geometrik özellikler arasında çekirdek çapı, kaplama boyutları, fiber eşmerkezliliği ve dairesel olmama durumu yer alır.
(1) Çekirdek Çapı: Çekirdek çapı, çok modlu optik fiberler için bir gerekliliktir. ITU-T, çok modlu optik fiberlerin çekirdek çapını (50 ± 3) μm olarak belirtir.
(2) Dış Çap: Optik fiberin dış çapı, çıplak fiberin çapını ifade eder. Çok modlu veya tek-modlu fiber olmasına bakılmaksızın, ITU-T, iletişim için kullanılan optik fiberlerin dış çapını (125 + 3) μm olarak belirtir.
(3) Fiber Eşmerkezliliği ve Dairesellik- Dışı-: Eşmerkezlilik, çekirdek merkezi ile kaplama merkezi arasındaki mesafenin çekirdek çapına oranıdır. Dairesellik-dışında-çekirdeğin ve kaplamanın-dış{-daireselliğini içerir ve aşağıdaki formülle ifade edilebilir:
Formülde, Dmaksimumve Ddk.çekirdeğin (kaplamanın) maksimum ve minimum çaplarıdır; Dortakçekirdeğin (kaplama) standart çapıdır.
ITU-T şunları belirtir: çok modlu fiberin eşmerkezlilik hatası %6'dan az olmalıdır; çekirdek-dairesel olmama oranı %6'dan az olmalıdır (tekli-mod dahil); kaplamanın dairesel olmaması-%2'den az olmalıdır; ve tek-modlu fiberin eşmerkezlilik hatası 1μm olmalıdır.
Optik özellikler
Optik fiberlerin optik özellikleri, iletim performanslarını belirleyen çok önemli bir faktördür.
(1) Kırılma İndisi Dağılımı: Çok modlu fiberlerin kırılma indisi dağılımı, fiber bant genişliğini ve bağlantı kaybını belirler; tek-modlu fiberlerin kırılma indisi dağılımı, çalışma dalga boyunun seçimini belirler. Optik fiberlerin kırılma indeksinin genel formülü şöyledir:
Formülde fiber eksenine olan mesafe; n(0), r=0 olduğunda fiber çekirdeğinin kırılma indisidir; g, Şekil 2-2'de gösterildiği gibi, farklı kırılma indisi dağılımlarına yol açan farklı değerlere sahip kırılma indisi dağılım indeksidir; fiber çekirdek yarıçapıdır (μm); ve △ bağıl kırılma indisi farkıdır.
Çekirdek kırılma indisi: r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a) olduğundag]1/2
Kaplama kırılma indisi: r Büyük veya eşit olduğunda, n=n(r)=n(0)[1-2△]1/2
(2) Optik fiberin sayısal açıklığı (NA), ışık kaynağı birleştirme verimliliği, mikro bükülmeye karşı fiber kaybı duyarlılığı ve bant genişliği ile yakından ilgilidir. Daha büyük bir sayısal açıklık, birleştirmeyi kolaylaştırır, mikro bükülme hassasiyetini azaltır ve daha dar bir bant genişliği ile sonuçlanır. Maksimum teorik sayısal açıklık aşağıdaki şekilde tanımlanır:
Formülde n, adım-indeksli fiberin tek biçimli çekirdeğinin kırılma indisidir (dereceli-indeksli fiberin çekirdek merkezinin kırılma indisi n(0); ng, düzgün kaplamanın kırılma indisidir.
(3) Mod alanı çapı Mod alanı çapı, temel mod alanı Ea'nın transfer fonksiyonu ile tanımlanabilir, yani temel mod alanı Ea'nın transfer fonksiyonu ile radyal r arasındaki ilişkinin eğrisi üzerindeki iki 1/é noktası arasındaki genişlik, mod alanı çapıdır.
Kalıp alanı çapı tahmini:2S.=2入/(πn√△)
Tek-modlu fiberde çekirdek çapı yerine mod alanı çapı kullanılır. Bunun nedeni aynı çekirdek çapına sahip fiberlerin farklı kırılma indisi dağılımları altında farklı mod alanı dağılımlarına sahip olmaları ve fiberin iletim performansının mod alanı dağılımına bağlı olmasıdır.
İnşaat için, fiber bağlantısında mod alanı çapı uyumsuzsa, büyük sapma bağlantı kaybını artıracaktır. ITU-T, mod alanı çapını (9-10) ± 1 μm olarak belirtir.
(4) Kesim Dalga Boyu (Tek-Mod İletim Durumu) Kesme dalga boyu, tek-modlu fiberin tek-modlu iletimi garanti etme koşuludur. Bu dalga boyunun ötesinde, ikinci-düzey LP modu artık yayılmamaktadır. Kesim dalga boyu diğer parametrelerden farklıdır çünkü sabit değildir ancak uzunlukla birlikte değişir. Bu, tek-modlu fiberin kesme dalga boyunun, optik iletişim sisteminin çalışma dalga boyundan daha küçük olmasını gerektirir. Şu anda, tek{10}}modlu fiberin kesme dalga boyu 1,10~1,28μm'dir ve bağıl kırılma indisi farkı Δ ve kesit şekli tarafından belirlenir.
Optik fiberlerin doğrusal olmayan etkileri
Günümüzün yoğun dalga boyu bölmeli çoğullama (DWDM) yüksek-kapasiteli, yüksek-hızlı optik fiber iletişim sistemlerinde, erbiyum-katkılı fiber yükselticiler ile, optik fiberler birden fazla dalga boyunu ve yüksek gücü iletir. Bu yüksek optik güç, sinyal ile fiber arasındaki etkileşim nedeniyle çeşitli doğrusal olmayan etkilere neden olabilir. Bu doğrusal olmayan etkiler uygun şekilde bastırılmazsa sistem performansını ciddi şekilde etkileyebilir ve yenilenebilir tekrarlayıcı mesafesini sınırlayabilir. Doğrusallık veya doğrusal olmama, ışığın kendisinin özelliklerini değil, iletim ortamı içindeki ışığın özelliklerini ifade eder. Ancak optik alanın varlığı ortamın özelliklerini değiştirir. Bir ortam güçlü bir optik alana maruz kaldığında, ortamı oluşturan atomların veya moleküllerin içindeki elektronlar kayar veya titreşir ve polarizasyona neden olur. Polarize ortam içinde dipol dalgalar belirir ve bu dipoller, orijinal olay alanının üzerine bindirilen aynı frekanstaki elektromanyetik dalgaları yayar ve ortam içindeki toplam optik alan haline gelir. Bu, ortamın özelliklerindeki değişikliklerin optik alanı etkilediğini göstermektedir.
Optik fiberlerin doğrusal olmayan etkileri iki kategoriye ayrılabilir: uyarılmış saçılma ve kırılma indisi bozulması.
◇Uyarılmış saçılma, optik sinyallerin akustik dalgalar veya optik fiberlerdeki sistem titreşimleri ile etkileşime girdiği modüle edilmiş sistemlerde meydana gelir; yani optik alan, enerjinin bir kısmını doğrusal olmayan ortama aktarır. Uyarılmış Raman saçılması ve uyarılmış Brillouin saçılması bu kategoriye girer.
Uyarılmış Raman saçılımı (SRS), ortamdaki moleküler titreşimlerin gelen ışık (pompa ışığı olarak adlandırılır) üzerindeki modülasyonundan (etkileşiminden) kaynaklanır ve bu da gelen ışığın saçılmasına neden olur. Gelen ışığın frekansı ve ortamın moleküler titreşimlerinin frekansı ν olsun, o zaman saçılan ışığın frekansları ∞=∞∞ ve ν=∞, +∞ olur. Bu olaya uyarılmış Raman saçılması denir. Frekansı ∞ olan saçılan ışığa Stokes dalgası denir; ν frekansına sahip saçılan ışığa anti-Stokes dalgası denir.
◇Düşük optik güç altında, silika cam elyafının kırılma indeksi, kırılma indeksi bozulmasından dolayı sabit kalır. Bununla birlikte, yüksek optik güç elde etmek için balastlı bir fiber amplifikatör kullanıldığında, iletilen sinyalin yoğunluğunun değiştirilmesi, fiberin kırılma indeksinde bir değişikliğe neden olabilir. Kırılma indisi bozulmasının neden olduğu üç doğrusal olmayan etki, öz-faz modülasyonu (SPM), çapraz-faz modülasyonu (CPM) ve dört-dalga karışımıdır.
Kendi-faz modülasyonu (SPM), iletim sırasında optik darbenin fazının değişerek darbe spektral genişlemesine yol açtığı olguyu ifade eder. SPM, kendine-odaklanmayla yakından ilişkilidir; şiddetliyse, yoğun dalga boyu bölmeli çoğullama (DWDM) sistemlerinde spektral genişleme bitişik kanallarla örtüşebilir.
Optik fiberlerin mekanik ve sıcaklık özellikleri
Optik fiberlerin mekanik özellikleri
Optik fiberlerin mekanik özellikleri çok önemlidir. İletişimde kullanılan kuvars optik fiberler, dış çapı yaklaşık 125 μm olan ince cam filamentlerdir. Cam oldukça sert,-sünek olmayan ve kırılgan bir malzemedir. Mukavemet sınırı, yapısındaki Si-O bağlarının bağlanma kuvveti tarafından belirlenir. Teorik olarak, Si-O atomik bağlarını kırmak için gereken gerilimin 19600–24500 N/mm² olduğu tahmin edilmektedir, bu nedenle dış çapı yaklaşık 125 μm olan bir optik fiber, 294 N'lik bir gerilme mukavemetine dayanabilir. Bununla birlikte, gerçek optik fiberlerin yüzeyinde veya içinde çatlaklar kaçınılmaz olarak mevcuttur. Fiber dış kuvvete maruz kaldığında, çok küçük bir mikro çatlak bile genişleyip yayılabilir, bu da yıkıcı bir kırılmaya neden olur ve bu da fiberin kopma mukavemetini büyük ölçüde azaltır (teorik değerin yaklaşık 1/4'ü). Bu nedenle, optik fiberlerin geliştirilmesinden{18}}büyük ölçekli uygulanmasına kadar bu zorlukların üstesinden gelmek için önemli çaba, kaynak ve finansman yatırımı yapılmıştır. Şu anda araştırma, üretim, kablolama ve inşaat departmanları, optik fiberlerin çekme mukavemetinin ve hizmet ömrünün nasıl iyileştirilebileceğini daha fazla araştırıyor.
Ticari olarak temin edilebilen optik fiberlerin çekme mukavemeti, 2,35 N çekme kuvvetinden az olmamalıdır. Şu anda ticari olarak temin edilebilen optik fiberlerin çekme mukavemeti %0,5 gerinime veya 432 g çekme kuvvetine ulaşmıştır. Mühendislik projeleri için yurt içinde kullanılan optik fiberlerin çekme mukavemeti genellikle 400 g'ın üzerinde çekme kuvvetine sahiptir. Daha kaliteli yabancı optik fiberlerin çekme mukavemeti 700 g'ı aşan çekme kuvvetine sahiptir ve denizaltı kablolarında kullanılan fiberler daha da yüksek mukavemet gerektirir. Optik fiberlerin gerilme mukavemetine ilişkin bu gereksinimler, fiber üretim prosesi sırasında tarama yöntemleriyle elde edilir.
Optik fiberin ömrü genellikle hizmet ömrü olarak adlandırılır. Mekanik performans açısından bakıldığında servis ömrü, kırılma ömrünü ifade eder. Optik fiberlerin ve kabloların üretim ve mühendisliğinde genel olarak 20 yıllık bir hizmet ömrü tasarlanmıştır. Bununla birlikte, optik fiberlerin gerçek hizmet ömrü, çalışma ortamının (sıcaklık, nem ve statik ve dinamik yorgunluk gibi) etkisi nedeniyle tamamen tutarlı değildir. Mevcut tahminler, 20 yıllık bir kullanım ömrü için tasarlanan optik fiberlerin gerçekte 30 ila 40 yıl dayanabileceğini öne sürüyor.
Optik fiberlerin sıcaklık özellikleri
Optik fiberin sıcaklık özellikleri, yüksek ve düşük sıcaklıkların fiber kaybı üzerindeki etkisini ifade eder ve genellikle kaybın artmasına neden olur. Fiber kaplama ve kaplamada kullanılan malzemelerin, kuvarstan çok daha büyük büzülme ve genleşme katsayılarına sahip olan organik reçineler ve plastikler olması nedeniyle, hem yüksek hem de düşük sıcaklık koşullarında elyaf kaybı artar. Bu nedenle, düşük sıcaklıklarda fiber, mikro-bükülmeye neden olan eksenel sıkıştırma kuvvetine maruz kalırken, yüksek sıcaklıklarda eksenel uzama kuvvetine maruz kalır, stres oluşturur ve kaybın artmasına neden olur. Optik fiberin sıcaklık özellikleri, sıcaklık düştükçe fiber kaybının da arttığını göstermektedir. Sıcaklık yaklaşık -55 dereceye düştüğünde kayıp önemli ölçüde artarak sistemi kullanılamaz hale getirir. Şu anda optik fiberlerin düşük{10}sıcaklık özellikleri iyi bir seviyeye ulaştı; genellikle -20 derecede kayıp artışı 0,1 dB/km'den azdır ve yüksek kaliteli fiberler için bu oran 0,05 dB/km'den azdır.
Optik fiberlerin düşük-sıcaklık performansı çok önemlidir. Kuzey bölgelerindeki havai optik kablolar ve hatlar için düşük-sıcaklık performansının zayıf olması iletişim kalitesini ciddi şekilde etkileyecektir. Bu nedenle optik fiber üretimi sırasında uygun kaplama ve kaplama malzemelerinin seçilmesi ve süreçlerin iyileştirilmesi esastır. Mühendislik tasarımında mükemmel özelliklere sahip optik fiberlerin seçilmesi zorunludur.