Характеристики сростков и соединений

Возвратные потери оптического разъема должны быть, по крайней мере, 40 дБ. Другой важный параметр - число сочленений. Оно относится к числу соединений/разъединений, начиная с которого характеристики разъема станут ухудшаться. Это число, как показывает опыт, колеблется от 200 до 600 со­членений.

Потери, вносимые соединением ОВ в тракт передачи кабеля, делятся на две группы: внешние и внутренние.

Внешними называются потери, связанные с особенностями метода соединения, в том числе, с подготовкой концов волокон, и включающие в себя поперечное смещение сердечника, разнесение торцов, наклон осей, угол наклона торца волокна, френелевские отражения.

Внутренними называются потери, связанные со свойствами самого волокна и обусловлены, например, вариациями диаметра сердечника, числовой апертуры, профиля показателя преломления, некруглостями сердечника, неконцентричностью сердечника и оболочки.

Внутренние потери.

Внутренние потери являются следствием соединения двух неодинаковых волокон, обладающих, в основном, различными диаметрами и числовой апертурой.

В многомодовых стекловолокнах внутренние потери зависят от направления распространения света (рисунок 10.1).

Рисунок 10.1 – Размеры ОВ

При распространении света слева-направо потери на стыке равны нулю, при обратном направлении распространения света часть его переходит в оболочку 50 мкм волокна и теряется.

Данные потери зависят от характера распределения оптической мощности по торцу волокна. При этом различают однородное распределение мощности, когда она одинакова во всех точках торца волокна, и равновесное распределение, когда мощность сконцентрирована в центре сердечника световода. В таблице 10.1 приведены значения равновесных внутренних потерь на стыке различных многомодовых световодов.

Таблица 10.1 Значения равновесных внутренних потерь на стыке волокон

В одномодовых световодах внутренние потери не зависят от направления передачи и определяются только несоответствием диаметров поля моды сопрягаемых волокон (рисунок 10.2).

Рисунок 10.2 – Внутренние потери в одномодовых ОВ

Волокно 1 с диаметром поля моды излучает свет в виде конуса с углом от торца волокна. Учитывая, что диаметр поля волокна обратно пропорционален углу приема излучения () волокно 1 излучает свет в больший конус, чем принимает волокно 2, и часть излучения теряется. И наоборот, при распространении света от волокна 2 к волокну 1 часть света распространяется вне сердечника волокна 1 и тоже теряется. θ₁

Таким образом, потери из-за различия диаметров поля моды и конусов приема одинаковы в обоих направлениях и рассчитываются по формуле:

, дБ.

Значения равновесных внутренних потерь на стыке наиболее распространенных одномодовых волокон с несмещенной дисперсией приведены в таблице 10.2.

Таблица 10.2 - Значения равновесных внутренних потерь на стыке одномодовых ОВ

Волокно 1	Потери (дБ)
Волокно 2
Выровненная оболочка	Вдавленная оболочка
2 = 10,0 мкм	2 = 9,5 мкм	2 = 8,8 мкм
Выровненная оболочка 2 = 10,0 мкм 2 = 8,8 мкм	0,01	0,01	0,07 0,02
Вдавленная оболочка 2 = 8,8 мкм	0,07	0,02

Внешние потери.

Внешние потери обусловлены четырьмя основными причинами: радиальное смещение волокон, угловое смещение, осевое смещение и качество торцов. Кроме того, необходимо учитывать деформации сердечника и соответствие между показателями преломления волокон. Для получения малых потерь на стыке торцов волокон должны находиться в тесном физическом контакте друг с другом, или зазор между ними должен быть заполнен веществом (иммерсионной жидкостью) в точности соответствующим показателям преломления сердечников волокон. На рисунке 10.3 представлены возможные дефекты сопряжения ОВ и графики, отражающие количественную оценку внешних потерь.

Рисунок 10.3 – Возможные дефекты сопряжения ОВ и графики, отражающие количественную оценку внешних потерь

а) радиальное смещение; б) угловое смещение; в) осевое смещение; г) качество торцов

В реальных соединениях необходимо учитывать воздействие суммарных, т.е. полных потерь, определение которых зависит от типа сопрягаемых волокон.

В многомодовых световодах полные потери на стыке волокон обычно меньше, чем сумма отдельных внутренних и внешних составляющих. Принято считать, что потери на стыке многомодовых волокон не зависят от длины волны. В действительности из-за несоответствия внутренних параметров волокон на стыке возникают пульсации (осцилляции) потерь, которые происходят вследствие того, что принимающее волокно не может принять все моды от передающего.

Осцилляции потерь на стыке возрастают с увеличением длины волны.

Кроме того, потери на стыке зависят от относительного положения стыков. Стыки имеют тенденцию влиять на распределение мощности, и поэтому потери на конкретном стыке зависят от потерь на предыдущем (рисунок 10.4).

Рисунок 10.4 – Потери на конкретном стыке зависят на предыдущем

Если волокно А достаточно длинное, то мощность на его конце имеет равновесное распределение. Осевое смещение на первом стыке вызывает потери части мощности на конце распределения и перераспределяет мощность к внешним краям сердечника второго волокна. Если волокно Б короче, чем требуется для восстановления равновесного распределения мощности, то осевое смещение на втором стыке вызовет большую, чем на первом стыке потерю мощности.

В одномодовых волокнах полные потери на стыке практически соответствуют сумме внешних и внутренних потерь. Более того, такие волокна имеют только одну моду, и поэтому на их стыке отсутствуют пульсации, которые наблюдались в многомодовых волокнах. При отсутствии отражения потери на стыке монотонно уменьшаются с ростом длины волны, что обусловлено ростом диаметра поля моды.

Таким образом, потери на стыке одномодовых волокон проще в анализе, измерении и воспроизведении, чем на стыке многомодовых волокон.

Если в процессе соединения оптических волокон присутствует хотя бы одно из рассмотренных смещений, то часть оптической мощности отражается от места соединения. Такое явление получило название Френелевского отражения. Отражение на стыке оптических волокон приведено на рисунке 10.5.

Рисунок 10.5 – Отражение на стыке ОВ

Отражение на границе раздела двух сред (рисунок 10.5,а) характеризуется параметром R, который представляет собой отношение мощности отраженной волны к мощности падающей волны, и рассчитывается по формуле:

,

где n₁ и n₂ - показатели преломления соответствующих сред.

В результате мощность на выходе волокна уменьшается по сравнению с падающей мощностью. Такие потери за счет отражения получили название Френелевских потерь, рассчитываемых по формуле:

Например, потери на границе волокно-воздух, учитывая, что n₁=1,46, a n₂=1, составляют 0,15 дБ.

При наличии осевого смещения различают две границы раздела (рисунок 10.5,б). Тогда параметр R рассчитывается по формуле:

,

где R₁ и R₂ - параметры отражения на соответствующей границе; z- ширина зазора.

Взаимодействие многократных отражений приводит к увеличению потерь на стыке, которые рассчитываются по формуле:

, дБ.

Соединения волокон, кроме того, вызывает изменение во времени взаимодействие передаваемых мод друг с другом, что приводит к флуктуации оптической мощности и появлению, так называемых, межмодовых шумов. Межмодовые шумы проявляются как в многомодовых, так и в одномодовых волокнах.

Взаимодействие мод, зависящее от времени, происходит вследствие ряда причин: изменение во времени длины волны излучения и параметров лазеров, характеристик волоконного световода.

Модовый шум можно увидеть, заглянув в торец относительно короткого многомодового волокна, возбуждаемого лазером. Различимые темные и светлые пятна – спеклы - являются следствием интерференции различных мод. Изменение спекл-картины на несовершенном стыке приводит к изменению потерь.

Интерференция мод зависит от временных соотношений между модами, поэтому лазерные источники излучения, способные сохранять временные свойства своего излучения, создают больший межмодовый шум, чем некогерентные источники излучения (светодиоды). С увеличением длины волоконного световода спекл-картина исчезает, что способствует уменьшению межмодовых шумов.

В идеальных одномодовых световодах межмодовый шум отсутствует. Однако, реальные одномодовые волокна допускают распространение моды второго порядка, которая возникает на стыках сопрягаемых волокон. Благодаря разнице во времени распространения основной моды и моды второго порядка происходит интерференция мод и появление межмодового шума.