CC BY
198
Сер. 4. 2009. Вып. 4
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
УДК 535:628.953.2 Е. В. Резак
ПОТЕРИ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ ПРИ ИЗГИБЕ
Оптическое волокно как среда распространения позволяет организовать новые перспективные направления в области связи. Пропускная способность оптических каналов на много порядков выше, чем у информационных линий на основе медного кабеля. Кроме того, оптоволокно невосприимчиво к электромагнитным полям, что снимает некоторые типичные проблемы медных систем связи. Информационные сети на основе оптического волокна способны передавать сигнал на большие расстояния с меньшими потерями, обеспечивая при этом высокую скорость передачи информации. Несмотря на то, что оптическая технология всё ещё остаётся дорогостоящей, цены на оптические компоненты постоянно падают и стоимость аналогичного канала на основе медных линий оказывается [1-4] больше. Для дальнейшего развития оптических каналов связи необходимо изучать физические свойства оптического волокна как среды распространения сигнала с целью улучшения качества передачи сигнала, увеличения скорости передачи и объёма передаваемых данных.
Важным направлением является изучение влияния деформации на показатель преломления сердечника оптического волокна [5]. Во-первых, из-за особенностей определения геометрической длины волокна (длина определяется оптическими методами по времени распространения сигнала, которое зависит от показателя преломления), и изменения значения показателя преломления, который зависит не только от материала, но и от деформации материала [6, 7]. Во-вторых, деформация волокна, через показатель преломления, будет определять характер распространения света в оптическом волокне, оказывать влияние на поляризацию и потери в процессе распространения сигнала.
Для более глубокого изучения этих процессов производились исследования деформации изгиба оптического волокна, которые позволили получить новые данные о свойствах волокна. В статье описаны результаты исследований оптического волокна при изгибе, которые проводились в соответствии с требованиями МЭК 60794-1-2, метод Е18 [1, 8]. Схема испытания приведена на рис. 1.
Использовался лазерный источник и приёмник излучения на Хх = 1310 нм и Х2 = = 1550 нм, искусственно создавался изгиб оптического волокна, радиус изгиба изменялся. Измерения проводились в одномодовом режиме. Впервые проводились исследования при разрыве стандартного одномодового волокна, в виде изменения расстояния между торцами оптических наконечников коннекторов в розетке для контроля отклонения нормали волнового фронта в волокне по изменению диаграммы направленности излучения на торце волокна. При измерениях волокно перемещалось таким образом, что создавался изгиб, угол которого менялся в пределах от 0° до 360° (создавалась петля), при этом проводились замеры затухания сигнала в зависимости от угла изгиба и расстояния между торцами оптических наконечников.
© Е. В. Резак, 2009
Элемент розетка
Рис. 1. Схема испытания оптического волокна при изгибе для различных радиусов кривизны:
Н — расстояние между торцами оптических наконечников
На длине волны Хх = 1310 нм проводились измерения затухания для трёх радиусов кривизны Дкр_1 = 4,8 мм, Дкр_2 = 2,9 мм и Дкр_з = 2,3 мм и трёх расстояний между торцами оптических наконечником, аналогичным образом были проведены испытания оптического волокна для Х2 = 1550 нм.
Для изменения расстояния между торцами оптических наконечников в розетке дополнительно устанавливались вставки толщиной 0,75 мм и 3 мм. Для каждого расстояния (0, 0,75 мм и 3 мм) были проведены серии измерений при изменении угла изгиба от 0° до 360° для трёх радиусов кривизны. Данные, полученные в результате измерений представлены на рис. 2.
Сплошной линией в каждой серии графиков показано затухание при наибольшем радиусе кривизны Дкр_1 = 6 мм, пунктирной при Дкр_2 = 4,7 мм, штрих-пунктирной при Дкр_з = 3 мм.
Аналогично были проведены серии измерений для Х2 = 1550 нм на этом же волокне. Полученные результаты измерений представлены на рис. 3.
На основании проведённых испытаний и полученных данных (рис. 2, 3) можно сделать следующие обобщения:
1) при прохождении сигнала по изогнутому одномодовому оптическому волокну происходит затухание сигнала на выходе (рис. 2, 3), потери на изгибе наблюдаются при радиусах кривизны больше 5 мм, что расходится с заявленными техническими характеристиками оптического волокна;
2) потери увеличиваются с ростом длины волны;
3) затухание сигнала растёт при уменьшении радиуса кривизны (рис. 2, 3);
4) с увеличением расстояния между торцами оптических наконечников, изменение уровня оптического сигнала при искривлении волокна не выявлено, что не позволяет судить о наличии или отсутствии отклонения волнового фронта в волокне при изгибе;
5) при углах изгиба меньших 70° и указанных радиусах изгиба потери пренебрежимо малы и не зависят от длины волны в пределах одномодового режима работы волокна.
Угол изгиба волокна, град.
Рис. 2. Потери на изгибе и соединении (Х1 = 1310 нм) для трёх расстояний между торцами оптических наконечников:
1 - 0 мм, 2 - 0,75 мм, 3 - 3 мм
Угол изгиба волокна, град.
Рис. 3. Потери на изгибе и соединении (Х2 = 1550 нм) для трёх расстояний между торцами оптических наконечников:
1 - 0 мм, 2 - 0,75 мм, 3 - 3 мм
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: устанавливать минимальный радиус изгиба необходимо для каждой длины волны отдельно, результаты измерения потерь при изгибе в основном соответствуют теоретическим и экспериментальным результатам, полученным другими авторами [1-3, 6, 7]. Отличие заключается в наличии максимального угла изгиба волокна, не приводящего к затуханию сигнала. Последнее говорит о том что, отклонение фронта волны от оси волокна при его изгибе на угол менее 70° не приводит к нарушению полного внутреннего отражения света от оболочки. Это может быть вызвано отклонением фронта волны вследствие приобретения волокном анизотропных свойств из-за явления фотоупругости, а так же дифракцией света в волокне.
Литература
1. Иоргачёв Д. В., Бондаренко О. В. Волоконно-оптические кабели и линии связи. М., 2002. 282 с.
2. Иванов А. Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. М., 1999. 664 с.
3. Стерлинг Д. Техническое руководство по волоконной оптике. М., 1998. 182 с.
4. Бисли Б. Увеличение скорости передачи информации: волокно проникает в ранее недоступные области // LIGHWAVE: russian edition N 3. 2004. С. 38-40.
5. Сивцов А. Г. ВОСП и защита информации // Фотон-Экспресс. 2000. № 18. С. 16-20.
6. Марьенков А. А., Гринштейн М. Л., Каменская Е. К., Деков В. Н. Измерение удлинения оптического волокна при испытании оптического кабеля на стойкость к растягивающей нагрузке // LIGHTWAVE: russian edition. 2003. N 2. С. 38-41.
7. Окоси Т., Окамото К., Оцу М. и др. Волоконно-оптические датчики. Л., 1990. 256 с.
8. IEC 60794-1-2: 1999. Optical fibres. Part. 1-2: Generic specification Basic optical cable test procedures.
Принято к публикации 1 июля 2009 г.
