Платонов КВ Диссертация (1195988), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Затухание света в волоконном световоде объясняется поглощением и рассеянием в материале,которое связано со световодной структурой и потерями на излучение. Потери обуславливаются большей частью геометрической неравномерностьюи изгибами световода. Моды высокого порядка особенно чувствительны кизгибам волокна, чем основные моды. Распространяющаяся по световодуволна рассеивается на неоднородностях и мощность падает.
В оптическихволноводах потерянная мощность возбуждает вытекающие моды, т.е. моды, которые имеют большое затухание из-за несоблюдения условия полного внутреннего отражения. Доходя до границы «сердцевина-оболочка», этилучи отражаются и преломляются, теряя каждый раз в оболочке волокначасть энергии, из-за чего пропадают совсем на некотором расстоянии отторца волокна.
Лучи, которые излучаются из оболочки в окружающуюсреду, называются излучаемыми лучами. Они не двигаются вдоль ОВ, а,как правило, возникают в местах нерегулярностей волокна. Трансформация направляемых мод в вытекающие и излучаемые происходят в материале световода по причине изгибов, микроизгибов, различных макро- имикродефектов в волноводе, в том числе микроскопически малых неоднородностей, газовых пузырьков.24В оптических волокнах некоторый, относительно маленький вклад вобщие потери добавляют рассеяние, определяемое вариациями составастекла, и поглощение света при взаимодействии фотонов с электронамиили с колебательными состояниями основных элементов материала всердцевине волокна. Очевидно, что излучающие и вытекающие волны —это паразитные волны, которые приводят к рассеиванию энергии и искажению информационного сигнала [2].В многомодовых оптических волокнах часть рассеянной мощностиподпитывает другие направляемые моды, возникает конверсия мод, амощность трансформируется в вытекающие моды.
Существует обратныйпроцесс: вытекающие моды, хотя и владеют относительно большими затуханиями, все же успевают пройти определенное расстояние по волноводу иза счет рассеяния вернуть часть мощности в одну из направляемых мод [5].252 ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПОЛЕ МОДВнешние воздействия постоянно влияют на оптическое волокно.
Это иэлектромагнитные поля, которые встречаются при прокладке оптическихкабелей вдоль высоковольтных линий электропередач; и вибрации, встречающиеся при порывах ветра или при прохождении железнодорожного состава вблизи проложенного оптического кабеля; и радиация, постоянносуществующая в виде солнечных лучей, вызывающая постепенное потемнение структуры волокна; а также температурные и механические воздействия, ускоряющие процесс разрушения оптического волокна.Макро- и микро-изгибы увеличивают затухание в оптическом волокне;температура влияет на гибкость волокна; влажность воздействует на параметры распространения оптического сигнала – все эти внешние влияниярассматриваются и исследуются с точки зрения качества и скорости передаваемого сигнала.
Для мониторинга изменения характеристик оптического сигнала созданы сложные электронные устройства, такие как рефлектометр, оптический тестер, локатор.При действии на волновод физических полей: механических, температурных, электрических, магнитных, – изменяется поле мод. Подобное воздействие может влиять как на одномодовое, так и многомодовое волокно стем лишь изменением, что с торца последнего выходит излучение, образующее множество модовых пятен.2.1 Механические воздействияНизкая механическая прочность это одна из главных причин невозможности использования волоконного световода из кварцевого стекла внатуральном виде (в том виде, в котором он получается после вытяжки).Теоретически механическая прочность нетронутого кварцевого волноводавыше прочности стальной проволоки такого же диаметра.
Однако, например, любое соприкосновение поверхности световода с твѐрдым предметом26или даже частицей пыли, находящейся в воздухе, вызывает появление наповерхности стекла микротрещин, которые при наложении растягивающейнагрузки F начинают быстро расти. В результате разрывная твердость световодов оказывается намного ниже теоретического предела прочностикварцевого стекла.Рисунок 2.1. Схематическая иллюстрация возникновения микротрещинСледует также отметить, что дефекты, приводящие к уменьшениюпрочности волокна, могут возникать не только вследствие прикосновениясветовода к твѐрдым телам, другими воздействиями в процессе или сразупосле вытяжки, но и на более ранних этапах его создания.
В частности, куменьшению прочности световода могут приводить внешние частицы, которые способны находиться в опорных кварцевых трубах, требуемых дляизготовления заготовок световодов, микротрещины в заготовках, которыепри вытягивании волновода превращаются в поверхностные дефекты световода, частицы пыли в печи для вытяжки световодов. В результате расследования причин, приводящих к разрушению световодов, были созданынекоторые общие технологические требования. Эти требования содержатследующее: изготовление заготовок из материала без внутренних включений, химическая и огневая полировка заготовки перед вытяжкой, контрольатмосферы в зоне нагрева, работа в обеспыленном помещении и т.
п.Ко всему прочему, покрытие должно быть достаточно мягким для того,чтобы сохранить световод от боковых сдавливающих нагрузок, являющихся причиной возникновения микроизгибов.27Рисунок 2.2. Волоконный световод, соприкасающийся с шероховатой поверхностьюК механическим воздействиям относят и вибрации. Влияние вибрацийобуславливаются возникновением стоячих волн на оптическом кабеле. Приэтом на расстоянии одного пролета контактных опор помещается целоечисло длин волн, а как показывают исследования, их максимальная амплитуда достигает 5 см, а частота колебаний располагается в звуковом диапазоне.
В таком оптическом световоде возникают периодические структуры,которые влияют на прохождение сигнала [4].Что касается оптических свойств волокна при приложении к нему растягивающей силы, то авторы говорят о постоянности коэффициента затухания оптического волокна вплоть до его разрушения. Поэтому до недавнего времени проверять механические нагрузки в оптическом волокне поизменению его оптических характеристик было невозможно. Механические характеристики показывают то, как волоконно-оптический кабель реагирует на механические действия: растяжение или сдавливание, изгиб икручение.Максимальный изгиб кабеля является еще одним важным параметром,который указывает предельно возможный радиус кривизны укладкикабеля.Такой вид механического воздействия как кручение определяет способность внешней оболочки кабеля обеспечивать защиту волновода прискручивании оболочки вокруг своей оси.
Для кабеля с металлической броней возможный угол скручивания меньше, чем для кабеля без брони. На28рисунке 2.3 можно посмотреть зависимость растяжения волокна и оболочки кабеля от прилагаемой нагрузки растяжения.Рисунок 2.3. Зависимость растяжения волокна и оболочки кабеля от прилагаемойсилы растяженияВ последнее время разработан целый ряд устройств, позволяющихнайти приложенную к оптическому волокну нагрузку, например, по величине бриллюэновского рассеяния («ANDO») или по величине групповоговремени запаздывания («PK Technology»).
Однако стоимость этих электронных приборов остаѐтся очень внушительной. Представляется чрезвычайно важным определение допустимой величины растягивающей нагрузки, которая прикладывается к оптическому волокну, и которая не создастразрушение волокна и, как следствие, к срыву оптического волновода в течение его срока эксплуатации.Одной из особенностей пластических масс является зависимостьфизического состояния от времени приложения нагрузки. Деформация,определяющаяся упругой при кратковременном влиянии, при увеличениивремени воздействия в результате протекающих в материале процессов29постепенно превращается в пластическую, что изображено на рисунке 2.4,а. Также отличительной особенностью полимеров является постепеннаярелаксация напряжений в полимере с течением времени, что изображенона рисунке 2.4, б.а)б)Рисунок 2.4.
а) Кривая напряжение - деформация эластомераб) Релаксация напряжения в линейном (1) и пространственно сшитом (2) эластомере2.2 Температурные воздействияНаличие защитного покрытия у оптического волокна приводит и копределеннымзаключаетсяотрицательнымвсущественномпоследствиям.уменьшенииОсновноедопустимогоизнихдиапазонатемпературных воздействий. Например, если волоконный световодработает в диапазоне температур от минус 1500 С до плюс 1500 С, тооптическое волокно всего лишь от минус 600 С до плюс 850 С.
Этоопределяется тем, что допуск на геометрические размеры первичногопокрытиянасчитываетвсеголишьнесколькомикрометров.Неконцентричность или разнотолщинность покрытия исключается, так какпри механических действиях это может спровоцировать изгиб осиоптического волокна и затем к дополнительным потерям на макроизгибах.Кроме того, по причине большой разницы температурных коэффициентовлинейногорасширения(ТКЛР)кварцевогостеклаиполимерныхматериалов защитного покрытия термоусадка первичной оболочки30оптическоговолокнаприохлажденииилинагревеприводиткмикроизгибам световода, и как следствие повышение оптических потерь.Конечно, при использовании особых материалов защитных покрытий(например, некристаллизующихся кремнийорганических эластомеров)можно достичь температуры минус 1500 С [5], однако эти материалы, всилу сложности переработки или дороговизны, в промышленномпроизводстве оптического волокна распространения не получили.В зависимости от температуры аморфные линейные полимеры могутнаходиться в трех физических состояниях.
При низких температурах - этостеклообразное состояние, когда возможны только колебательные движения атомов в цепи. При превышении температуры стеклования становитсявозможным колебательное движение звеньев цепи, такое состояние назвали высокоэластическим. И, наконец, при превышении температуры плавления полимер переходит в вязкотекучее состояние, когда может проявиться подвижность всей макромолекулыРисунок 2.5. Виды термомеханических кривых кристаллического полимера:1 - после плавления полимер сразу переходит в вязкотекучее состояние2 - после плавления полимер переходит в высокоэластическое состояниеТо же самое происходит и при увеличении температуры окружающейсреды, но это в первую очередь приводит к увеличению длины полимерных трубок оптических модулей по всей длине оптического кабеля потомучто ТКЛР полимера на несколько порядков больше ТКЛР металла и кварца.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
