מאפיינים של סיבים אופטיים (חלק 2)

תכונות גיאומטריות ואופטיות של סיבים אופטיים

תכונות גיאומטריות

המאפיינים הגיאומטריים שלסיבים אופטייםקשורים קשר הדוק לבנייה ולחיבורים-נמוכים. מאפיינים גיאומטריים אלה כוללים קוטר הליבה, ממדי חיפוי, ריכוזיות סיבים ואי--מעגליות.

(1) קוטר הליבה: קוטר הליבה הוא דרישה עבור סיבים אופטיים מולטי-מודים. ITU-T מציין את קוטר הליבה של סיבים אופטיים מולטי-מודים בתור (50 ± 3) מיקרומטר.

(2) קוטר חיצוני: הקוטר החיצוני של הסיב האופטי מתייחס לקוטר הסיב החשוף. לא משנה אם זה סיב רב-מוד או יחיד-מצב, ITU-T מציין את הקוטר החיצוני של סיבים אופטיים המשמשים לתקשורת בתור (125 + 3) מיקרומטר.

(3) ריכוזיות סיבים ומעגליות- מחוץ ל-: ריכוזיות היא היחס בין המרחק בין מרכז הליבה למרכז החיפוי לקוטר הליבה. מחוץ-מ-מעגליות כוללת את-המעגליות-של הליבה והחיפוי, וניתן לבטא אותה בנוסחה הבאה:

בנוסחה, D_{מקסימום}ו-D_דקההם הקוטר המרבי והמינימלי של הליבה (חיפוי); ד_{מְשׁוּתָף}הוא הקוטר הסטנדרטי של הליבה (חיפוי).

ITU-T מציין כי: שגיאת הריכוזיות של סיבים מולטי-מודים צריכה להיות פחות מ-6%; אי-המעגליות הליבה צריכה להיות פחות מ-6% (כולל מצב- יחיד); אי-המעגליות של החיפוי צריכה להיות פחות מ-2%; ושגיאת הריכוזיות של סיב במצב יחיד- צריכה להיות 1μm.

מאפיינים אופטיים

המאפיינים האופטיים של סיבים אופטיים הם גורם מכריע הקובע את ביצועי השידור שלהם.

(1) התפלגות אינדקס השבירה: התפלגות אינדקס השבירה של סיבים מולטי-מודים קובעת את רוחב הפס של הסיבים ואובדן החיבור; התפלגות אינדקס השבירה של סיבים במצב יחיד- קובעת את בחירת אורך הגל ההפעלה. הנוסחה הכללית למקדם השבירה של סיבים אופטיים היא:

בנוסחה, הוא המרחק מציר הסיבים; n(0) הוא מקדם השבירה של ליבת הסיבים כאשר r=0; g הוא מדד התפלגות אינדקס השבירה, בעל ערכים שונים וכתוצאה מכך התפלגויות אינדקס השבירה שונות, כפי שמוצג באיור 2-2; הוא רדיוס ליבת הסיבים (מיקרומטר); ו- △הוא הפרש מקדם השבירה היחסי.

אינדקס שבירה של ליבה: כאשר r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)^g]^1/2
מקדם שבירה של חיפוי: כאשר r גדול או שווה ל-,n=n(r)=n(0)[1-2△]^1/2

(2) הצמצם המספרי (NA) של סיבים אופטיים קשור קשר הדוק ליעילות צימוד מקור האור, רגישות לאובדן סיבים לכיפוף מיקרו ורוחב פס. צמצם מספרי גדול יותר מקל על צימוד, מפחית את הרגישות למיקרו-כיפוף ומביא לרוחב פס צר יותר. הצמצם המספרי התיאורטי המרבי מוגדר כדלקמן:

בנוסחה, n הוא מקדם השבירה של הליבה האחידה של סיב האינדקס הצעד- (מקדם השבירה n(0) של מרכז הליבה של סיב האינדקס המדורג-); ng הוא מקדם השבירה של החיפוי האחיד.

(3) קוטר שדה מצב ניתן להגדיר את קוטר שדה המצב על ידי פונקציית ההעברה של שדה המצב הבסיסי Ea, כלומר, הרוחב בין שתי נקודות 1/é בעקומת הקשר בין פונקציית ההעברה של שדה המצב הבסיסי Ea לבין r הרדיאלי הוא קוטר שדה המצב.

אומדן קוטר שדה העובש:2S.=2入/(πn√△)

בסיבים במצב יחיד-, נעשה שימוש בקוטר שדה המצב במקום בקוטר הליבה. הסיבה היא שלסיבים עם אותו קוטר ליבה יהיו התפלגות שדות במצב שונה תחת התפלגות אינדקס שבירה שונות, וביצועי השידור של הסיב תלויים בהתפלגות שדה המצב.

לבנייה, אם קוטר שדה המצב אינו תואם בחיבור הסיבים, סטייה גדולה תגדיל את אובדן החיבור. ITU-T מציין את קוטר שדה המצב כ-(9-10) ± 1 מיקרומטר.

(4) אורך גל גזירה (מצב שידור-יחיד) אורך הגל הניתוק הוא התנאי לסיבי מצב- יחיד כדי להבטיח שידור במצב- יחיד. מעבר לאורך הגל הזה, מצב ה-LP -הסדר השני כבר לא מתפשט. אורך הגל החיתוך שונה מפרמטרים אחרים בכך שהוא אינו קבוע אלא משתנה עם האורך. הדבר מחייב את אורך הגל הניתוק של סיב המצב-יחיד קטן מאורך הגל ההפעלה של מערכת התקשורת האופטית. נכון לעכשיו, אורך הגל החיתוך של סיב במצב-יחיד הוא 1.10~1.28 µm, נקבע על ידי הפרש מקדם השבירה היחסי Δ וצורת החתך-.

השפעות לא ליניאריות של סיבים אופטיים

במערכות תקשורת סיבים אופטיים צפופים של ימינו (DWDM) עם קיבולת- גבוהה,-גבוהה עם מגברי סיבים מסוממים ארביום-, הסיבים האופטיים משדרים אורכי גל מרובים והספק גבוה. הספק אופטי גבוה זה יכול לגרום להשפעות לא ליניאריות שונות עקב האינטראקציה בין האות לסיב. אם ההשפעות הלא ליניאריות הללו אינן מדוכאות כראוי, הן עלולות להשפיע קשות על ביצועי המערכת ולהגביל את מרחק ההחזר הניתן לחידוש. לינאריות או אי-לינאריות מתייחסת לתכונות האור בתוך תווך השידור, לא לתכונות האור עצמו. עם זאת, נוכחות של שדה אופטי משנה את תכונות המדיום. כאשר המדיום נתון לשדה אופטי חזק, אלקטרונים בתוך האטומים או המולקולות המרכיבות את המדיום משתנים או רוטטים, וגורמים לקיטוב. גלי דיפול מופיעים בתוך המדיום המקוטב, ודיפולים אלה מקרינים גלים אלקטרומגנטיים באותו תדר, אשר מונחים על שדה התקף המקורי, והופכים לשדה האופטי הכולל בתווך. זה מדגים ששינויים בתכונות המדיום, בתורם, משפיעים על השדה האופטי.

ניתן לחלק את ההשפעות הלא ליניאריות של סיבים אופטיים לשתי קטגוריות: פיזור מגורה והפרעה באינדקס השבירה.

◇ פיזור מגורה מתרחש במערכות מאופנות שבהן אותות אופטיים מקיימים אינטראקציה עם גלים אקוסטיים או תנודות מערכת בסיבים אופטיים; כלומר, השדה האופטי מעביר אנרגיה מסוימת למדיום הלא ליניארי. פיזור רמאן מומר ופיזור ברילואין מעורר שייכים לקטגוריה זו.

פיזור רמאן מומרץ (SRS) נגרם על ידי אפנון (אינטראקציה) של תנודות מולקולריות במדיום על אור בולט (הנקרא אור משאבה), וכתוצאה מכך לפיזור האור הנכנס. תן לתדירות האור הנכנס להיות , ותדירות הרעידות המולקולריות של המדיום תהיה ν, אז התדרים של האור המפוזר הם ∞=∞∞ ו- ν=∞, +∞. תופעה זו נקראת פיזור רמאן מגורה. האור המפוזר בתדירות של ∞ נקרא גל סטוקס; האור המפוזר בתדר ν נקרא גל אנטי-סטוקס.

◇ תחת הספק אופטי נמוך, מקדם השבירה של סיבי זכוכית סיליקה נשאר קבוע עקב הפרעה במקדם השבירה. עם זאת, כאשר משתמשים במגבר סיבים בולסטים להשגת הספק אופטי גבוה, שינוי עוצמת האות המשודר יכול לגרום לשינוי באינדקס השבירה של הסיב. שלוש השפעות לא ליניאריות הנגרמות על ידי הפרעה באינדקס השבירה הן אפנון-עצמי (SPM), אפנון חוצה-פאזות (CPM) וארבעה-גלים.

אפנון-פאזה עצמית (SPM) מתייחס לתופעה שבה השלב של הפולס האופטי משתנה במהלך השידור, מה שמוביל להרחבת הספקטרלי הפולס. SPM קשור קשר הדוק ל-מיקוד עצמי; אם היא חמורה, במערכות ריבוי חלוקת אורך גל צפוף (DWDM), הרחבה ספקטרלית יכולה לחפוף לערוצים סמוכים.

תכונות מכניות וטמפרטורה של סיבים אופטיים

תכונות מכניות של סיבים אופטיים

המאפיינים המכניים של סיבים אופטיים הם קריטיים. סיבים אופטיים קוורץ המשמשים בתקשורת הם חוטי זכוכית דקים בקוטר חיצוני של כ-125 מיקרומטר. זכוכית היא חומר קשיח מאוד, לא-שביר ושביר. מגבלת החוזק שלו נקבעת על ידי כוח ההתקשרות של קשרי Si-O בתוך המבנה שלו. תיאורטית, המתח הנדרש לשבירת קשרים אטומיים Si-O מוערך ב-19600-24500 N/mm², לכן, סיב אופטי בקוטר חיצוני של כ-125 מיקרומטר יכול לעמוד בחוזק מתיחה של 294 N. עם זאת, סדקים קיימים בהכרח על פני השטח או בפנים של סיבים אופטיים. כאשר הסיב נתון לכוח חיצוני, אפילו מיקרו-סדק קטן מאוד יכול להתרחב ולהתפשט, ולגרום לשבירה קטסטרופלית, מה שמפחית מאוד את חוזק השבירה של הסיב (בערך 1/4 מהערך התיאורטי). לכן, מהפיתוח ועד ליישום-בקנה מידה גדול של סיבים אופטיים, הושקעו מאמץ, משאבים ומימון משמעותיים בהתגברות על אתגרים אלו. נכון לעכשיו, מחלקות המחקר, הייצור, הכבלים והבנייה חוקרות עוד כיצד לשפר את חוזק המתיחה וחיי השירות של סיבים אופטיים.

חוזק המתיחה של סיבים אופטיים זמינים מסחרית חייב להיות לא פחות מ-2.35 N של כוח מתיחה. נכון לעכשיו, חוזק המתיחה של סיבים אופטיים זמינים מסחרית הגיע ל-0.5% מתיחה, או 432 גרם של כוח מתיחה. לסיבים אופטיים בשימוש מקומי לפרויקטים הנדסיים יש בדרך כלל חוזק מתיחה של יותר מ-400 גרם של כוח מתיחה. לסיבים אופטיים זרים באיכות טובה יותר יש חוזק מתיחה העולה על 700 גרם של כוח מתיחה, וסיבים המשמשים לכבלים תת ימיים דורשים חוזקים גבוהים אף יותר. דרישות אלה לחוזק המתיחה של סיבים אופטיים מושגות באמצעות שיטות סינון במהלך תהליך ייצור הסיבים.

אורך החיים של סיב אופטי מכונה בדרך כלל חיי השירות שלו. מנקודת מבט של ביצועים מכניים, חיי השירות מתייחסים לתוחלת השבר שלו. בייצור והנדסה של סיבים אופטיים וכבלים מתוכננים בדרך כלל חיי שירות של 20 שנה. עם זאת, חיי השירות בפועל של סיבים אופטיים אינם עקביים לחלוטין בשל השפעת סביבת ההפעלה (כגון טמפרטורה, לחות ועייפות סטטית ודינמית). ההערכות הנוכחיות מצביעות על כך שסיבים אופטיים המיועדים לתוחלת חיים של 20 שנה עשויים להימשך למעשה 30 עד 40 שנה.

מאפייני טמפרטורה של סיבים אופטיים

מאפייני הטמפרטורה של סיבים אופטיים מתייחסים להשפעה של טמפרטורות גבוהות ונמוכות על אובדן סיבים, וכתוצאה מכך בדרך כלל לאובדן מוגבר. אובדן הסיבים גדל בתנאי טמפרטורה גבוהים ונמוכים כאחד, מכיוון שהחומרים המשמשים בציפוי ובחיפוי הסיבים הם שרפים אורגניים ופלסטיקים, בעלי מקדמי התכווצות והתפשטות גדולים בהרבה מקוורץ. לכן, בטמפרטורות נמוכות, הסיב חווה כוח לחיצה צירי, הגורם לכיפוף מיקרו-, בעוד שבטמפרטורות גבוהות, הוא חווה כוח התארכות צירי, יוצר מתח ומוביל לאובדן מוגבר. מאפייני הטמפרטורה של סיבים אופטיים מראים שככל שהטמפרטורה יורדת, גם איבוד הסיבים גדל. כאשר הטמפרטורה יורדת לסביבות -55 מעלות, ההפסד גדל באופן דרמטי, מה שהופך את המערכת לבלתי שמישה. נכון לעכשיו, מאפייני הטמפרטורה הנמוכים-של סיבים אופטיים הגיעו לרמה טובה; בדרך כלל, ב-20 מעלות, העלייה בהפסד היא פחות מ-0.1dB/km, ולגבי סיבים איכותיים היא פחות מ-0.05dB/km.

ביצועי הטמפרטורה-הנמוכים של סיבים אופטיים הם קריטיים. עבור כבלים וקווים אופטיים עיליים באזורים צפוניים, ביצועי טמפרטורה- נמוכים ישפיעו קשות על איכות התקשורת. לכן, במהלך ייצור סיבים אופטיים, חיוני לבחור חומרי ציפוי וחיפוי מתאימים ולשפר תהליכים. בתכנון הנדסי, הכרחי לבחור סיבים אופטיים בעלי מאפיינים מצוינים.