Потери в месте соединения волокон
Распределение интенсивности первой моды в поперечном сечении волокна хорошо
описывается функцией Гаусса:
|
8r 2 ö
2 ÷ , где w – диаметр модового пятна. Поэтому
è w ø
расчет потерь в месте соединения волокон сводится к хорошо известной задаче об эффективности согласования двух гауссовых пучков. Основной вклад в потери дает смещение сердцевин волокон друг относительно друга (d) и неравенство диаметров модовых пятен (Dw)
|
a (д Б ) @ 4, 34
+ æ Dw ö ö
(1.1)
ç ç ÷ ç ÷ ÷
è è w ø è w ø ø
В принципе, существуют еще потери, возникающие из-за отражения света от торца волокна, из-за эллиптичности модовых пятен и не параллельности осей соединяемых волокон. Потери, обусловленные френелевским отражением пренебрежимо малы, так как волокна стремятся соединять так, чтобы между ними возник оптический контакт. Например, френелевские потери в оптическом разъеме с коэффициентом отражения R = 10–4 (–40 дБ) равны:
aф (д Б ) = -10 log T = -10 log (1- R) @ -4, 34 ln (1- R) @ (4, 34R) @ 0, 0004 дБ.
Потери, вызванные эллиптичностью модовых пятен также малы, так как современные волокна обладают малой эллиптичностью (см. таблицу № 1.4). Для волокон с эллиптичностью 1% доля неперекрывшейся площади модовых пятен соединяемых волокон, будет порядка 10–4, а потери, соответственно, меньше 0.001 дБ. Потери, обусловленные непараллельностью осей соединяемых волокон, прямо пропорциональны квадрату угла q
|
|
|
2
между осями волокон
a (д Б ) @ 4, 34 æ p nwq ö
, где n = 1.46 – показатель преломления
q ç 2l ÷
è ø
кварцевого стекла. Обычно волокна соединяют так, что угол между их осями q меньше десятых градуса. Учитывая, что w = 7l, потери aq (дБ) получаются меньше 0.01 дБ.
Таблица № 1.4 . Гео метрическ ие параметры SM в о ло ко н ( G. 652)
| Параметры | Alcatel | Corning | Hitachi | OFS | Y OFC |
| Диаметр модового пятна, мкм на l = 1310 нм и на l = 1310 нм | 9.0 ± 0.5 10.2 ±0.5 | 9.2 ± 0.4 10.4 ±0.8 | 9.2 ± 0.4 10.5 ± 1 | 9.2 ± 0.4 10.5 ±1 | 9.3 ± 0.4 |
| Диаметр оболочки, мкм | 125 ± 1 | 125 ±0.7 | – | 125 ±0.7 | 125 ±1 |
| Эллиптичность оболочки | ≤ 1% | ≤ 1% | – | ≤ 1% | ≤ 1% |
| Эксцентриситет сердцевины/оболочки, мкм | ≤0.6 | ≤0.5 | – | ≤0.5 | ≤0.6 |
| Радиус собственного изгиба волокна, м | >4 | >4 | >4 | – | >4 |
Потери в месте соединения волокон, вызванные смещением их сердцевин, в принципе, могут быть практически полностью устранены. Так происходит, например, при сварке высококачественных SM волокон с помощью высокоточных сварочных аппаратов, где осуществляется коррекция эксцентриситета сердцевин волокон. При идеальной юстировке волокон и отсутствии дефектов величина потерь в месте соединения волокон, как видно из (1.1), определяется разностью диаметров модовых пятен.
|
|
|
Допуск на диаметр модового пятна Dwд составляет, как видно из таблицы № 1.4, достаточно большую величину (10...20 %). Например, для волокон компании Hitachi на
l = 1310 нм он составляет 0.4 мкм.
Соответственно разность диаметров соединяемых волокон может достигать величины 0.8 мкм. При этом диаметр модового пятна (он прямо пропорционален длине
волны (w » 7l)) равен примерно 10 мкм. Полагая w » 10 мкм и Dw = 2Dwд = 0.8 мкм и d = 0 с
2
помощью (1.1) получаем оценку:
a (д Б ) @ 4, 34 æ Dw ö
@ 0, 03 дБ , что больше среднего
|
значения потерь в сростках SM волокон (~ 0.02 дБ).
Появление такой завышенной оценки объясняется тем, что крайне мала вероятность того, что разность диаметров свариваемых волокон достигнет величины
Dw = 2Dwд = 0.8 мкм. Дело в том, что в качестве допуска Dwд принято указывать не величину среднеквадратичного отклонения диаметра модового пятна s, а в три раза большую
|
|
|
величину: Dwд = 3s. Вероятность же появления волокон с диаметрами модовых пятен, отличающихся от среднего значения на величину больше 3s, крайне мала – порядка 1/400
(для нормального распределения). В качестве примера на рис. 1.12 приведена гистограмма распределения диаметра модового пятна для SM волокон компании Hitachi. Как видно из рис. 1.9, среднеквадратичное отклонение диаметра модовых пятен s = 0.12 мкм. При этом величина 3s = 0.46 мкм близка к величине допуска Dwд = 0.4 мкм приведенного в таблице
№ 1.4.
Рис. 1.9. Гистограмма распределения диаметров модовых пятен в
SM волокнах компании Hitachi на l = 1310 нм
Оценим величину средних потерь в месте соединения волокон в предположении, что диаметры модовых пятен распределены по нормальному закону с дисперсией равной s2. Тогда разность диаметров модовых пятен Dw также будет распределена по нормальному закону, но для неё дисперсия будет в два раза больше: <Dw2> = 2s2 (угловые скобки означают операцию усреднения). С помощью (1.1) находим
aDw (д Б )
|
Dw2
|
@ 8, 78 s
(1.2)
|
Запишем выражение для средних потерь через допуск на диаметр модового пятна
|
|
|
Dwд так как в спецификациях обычно приводится именно эта величина, а не величина стандартного отклонения s. Учитывая, что Dwд = 3s, с помощью (1.2) получаем
Dw2
aDw
(д Б ) @ д
w2
(1.3)
При w » 10 мкм и Dwд = 0.4 мкм получаем оценку:
aDw (д Б )
@ 0, 0016 дБ.
Следовательно, при соединении высококачественных волокон одного производителя потерями из-за разности диаметров модовых пятен можно пренебречь и основной вклад в потери возникает из-за смещения сердцевин волокон.
Потери из-за смещения сердцевин волокон являются преобладающими в тех случаях,
когда юстировка волокон осуществляется по оси кварцевой оболочки, например, в оптических разъемах, в механических соединителях, а также при массовой сварке волокон (без юстировки волокон по сердцевине). При этом на величину смещения сердцевин волокон влияет несколько факторов: эксцентриситет сердцевины/оболочки, величина допуска на диаметр кварцевой оболочки волокна, её эллиптичность и радиус собственного изгиба волокна.
Средняя величина потерь для механических соединителей – порядка 0.05 дБ, а для оптических разъемов – порядка 0.1…0.5 дБ. Дополнительные потери в оптических разъемах
возникают из-за смещения кварцевой оболочки волокна относительно оси наконечников в разъемах и смещения осей наконечников в соединительной втулке. Потери из-за непараллельности осей соединяемых волокон, как правило, малы, так как волокна обладают большим радиусом собственного изгиба и юстируются в прецизионных V-образных
канавках и капиллярах. Средние потери в сростках высококачественных SM волокон малы (~ 0.02 дБ) и обусловлены совокупным действием всех факторов, влияющих на величину потерь в месте соединения волокон.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 288; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!