Потери на стыках оптических волокон
На затухание смонтированного участка помимо собственного затухания в ОВ существенное влияние оказывает качество стыков, т. е. разъемных и неразъемных соединений, потери на которых обусловлены:
- различием параметров (внутренние),
- неточностью юстировки.
Основными причинами потерь являются различия показателей преломления сердцевин соединяемых ОВ, их числовых апертур и диаметров сердцевин (многомодовые) или диаметров модовых полей (одномодовые).
Рис. 2.2. Соединение ОВ с разными значениями показателей преломления сердцевин
Потери из-за различия показателей преломления сердцевин являются следствием френелевского отражения на границе раздела двух сред с разными показателями преломления (рис. 2.2).
Для волокон со ступенчатым профилем показателя преломления при отсутствии зазора между ОВ потери, дБ:
, (2.10)
где n1и п2 - показатели преломления волокон.
Рис. 2.3. Соединение ОВ с разными числовыми апертурами
Если излучение переходит из ОВ1, имеющего числовую апертуру NA1, в ОВ2 с числовой апертурой NA2, которая удовлетворяет условию (NA1 > NA2), то часть излучения из ОВ1 выйдет в оболочку ОВ2 и там рассеется (рис. 2.3). В этом случае при отсутствии зазора между ОВ потери, дБ:
(2.11)
Потери при неодинаковых диаметрах сердцевин многомодовых ОВ или неодинаковых диаметрах модовых полей одномодовых ОВ (рис. 2.4) возникают при переходе из ОВ1 с большим диаметром в ОВ2 с меньшим диаметром:
(2.12)
Следует отметить, что рассмотренные потери (кроме потерь из-за различия показателей преломления) зависят от направления распространения света. Потери же из-за различия показателей преломления в первом приближении не зависят от направления распространения света.
Рис. 2.4. Соединение ОВ с разными диаметрами сердцевин (модовых полей)
В соответствии с рек. G651 числовая апертура градиентных многомодовых ОВ должна удовлетворять условию NA = 0,2±0,015, а диаметр сердцевины dс = 50±3 мкм. Расчеты по (2.11) и (2.12) показывают, что максимальные потери в этом случае могут достигать 1 и 1,3 дБ соответственно.
Для одномодовых ОВ со смещенной дисперсией в соответствии с рек. G653, предназначенных для работы на длине волны 1,55 мкм, диаметр модового поля должен удовлетворять условию Dмп = 8,4±0,5 мкм, а максимальные потери, рассчитанные по (2.12), могут достигать 1 дБ.
Реальные отклонения указанных параметров, которые обеспечивают лучшие производители волокон, намного меньше рекомендованных G651-G654. Это обстоятельство, а также группирование сращиваемых ОВ позволяют сваривать ОВ с потерями порядка 0,01 дБ и изготавливать оптические разъемные соединители с потерями порядка 0,2-0,5 дБ.
Потери, обусловленные погрешностями юстировки и конструкции соединителей, проявляются в разъемных и неразъемных соединениях. Потери в разъемных соединениях являются следствием несовершенства, как самой конструкции соединителя, так и процесса оконцовывания ОВ. Потери в разъемных соединениях зависят от неточности юстировки волокон при их заделке в наконечник соединителя (радиальное, угловое и осевое смещение) и некачественной обработки (полировки) торцов соединяемых ОВ. В разъемных соединениях эти потери обычно являются основными.
Потери в неразъемных соединениях определяются неточностью юстировки ОВ в сварочном аппарате перед сваркой. Однако современные сварочные аппараты имеют автоматическую юстировку и автоматическое управление процессом сварки ОВ, обеспечивающие минимальные потери. Вследствие этого потери в сварке в основном определяются различием параметров свариваемых ОВ.
Рис. 2.5. Радиальное смещение осей ОВ
Радиальное смещение осей соединяемых ОВ приводит к тому, что часть энергии из ОВ1 не попадает в ОВ2 (рис. 2.5).
Рис. 2.6. Угловое смешение осей ОВ
Рис. 2.7. Осевое смещение торцов ОВ
Потери не зависят от направления распространения света при малых смещениях h << d исоставляют, дБ:
(2.13)
Потери из-за углового смещения осей сердцевин соединяемых ОВ не зависят от направления распространения света (рис. 2.6) при малых угловых смещениях α << 2NA и составляют, дБ:
(2.14)
Осевое смещение торцов соединяемых ОВ имеет место только в разъемных соединениях (рис. 2.7), при этом потери, дБ:
a = 17,4×NA/d, (2.15)
где h — осевое смешение.
Приведенные формулы не являются точными и не учитывают всех физических явлений, происходящих на стыке ОВ, но они позволяют примерно оценить необходимые точности юстировки при сварке и изготовлении разъемов.
Дисперсия импульсов