خصائص الألياف الضوئية (الجزء الثاني)

الخصائص الهندسية والضوئية للألياف الضوئية

الخصائص الهندسية

الخصائص الهندسيةالألياف الضوئيةترتبط ارتباطًا وثيقًا بالإنشاءات والوصلات منخفضة الخسارة-. تتضمن هذه الخصائص الهندسية القطر الأساسي، وأبعاد الكسوة، وتركيز الألياف، والدورية غير -.

(1) القطر الأساسي: القطر الأساسي هو أحد متطلبات الألياف الضوئية متعددة الأوضاع. يحدد الاتحاد الدولي للاتصالات -T القطر الأساسي للألياف الضوئية متعددة الأوضاع بـ (50 ± 3) ميكرومتر.

(2) القطر الخارجي: يشير القطر الخارجي للألياف الضوئية إلى قطر الألياف العارية. بغض النظر عما إذا كانت ألياف متعددة الأوضاع أو أحادية الوضع -، يحدد الاتحاد الدولي للاتصالات -T القطر الخارجي للألياف الضوئية المستخدمة للاتصالات بـ (125 + 3) ميكرومتر.

(3) تركيز الألياف و-الدائرة الخارجية: التركيز هو نسبة المسافة بين المركز الأساسي ومركز الكسوة إلى القطر الأساسي. خارج-من-الدائرة يشمل-الدائرة الخارجية للقلب والكسوة، ويمكن التعبير عنها بالصيغة التالية:

في الصيغة د_الأعلىو د_دقيقةهي الحد الأقصى والحد الأدنى لأقطار القلب (الكسوة)؛ د_شركةهو القطر القياسي للنواة (الكسوة).

يحدد الاتحاد الدولي للاتصالات -T ما يلي: يجب أن يكون خطأ التركيز للألياف متعددة الأوضاع أقل من 6%؛ يجب أن تكون الدائرة غير الدائرية الأساسية- أقل من 6% (بما في ذلك الوضع الفردي-)؛ يجب أن تكون نسبة الكسوة غير الدائرية- أقل من 2%؛ ويجب أن يكون خطأ التركيز للألياف ذات الوضع الفردي - 1 ميكرومتر.

الخصائص البصرية

تعد الخصائص البصرية للألياف الضوئية عاملاً حاسماً في تحديد أداء الإرسال.

(1) توزيع معامل الانكسار: يحدد توزيع معامل الانكسار للألياف متعددة الأوضاع عرض النطاق الترددي للألياف وفقدان الاتصال؛ يحدد توزيع معامل الانكسار للألياف ذات النمط الفردي - اختيار الطول الموجي للتشغيل. الصيغة العامة لمعامل الانكسار للألياف الضوئية هي:

في الصيغة، المسافة من محور الألياف؛ n(0) هو معامل الانكسار لنواة الألياف عندما يكون r=0; g هو مؤشر توزيع معامل الانكسار، والذي له قيم مختلفة ينتج عنها توزيعات مختلفة لمؤشر الانكسار، كما هو موضح في الشكل 2-2؛ هو نصف قطر الألياف الأساسية (ميكرومتر)؛ و △ هو فرق معامل الانكسار النسبي.

معامل الانكسار الأساسي: عندما تكون r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)^g]^1/2
معامل انكسار الكسوة: عندما يكون r أكبر من أو يساوي ,n=n(r)=n(0)[1-2△]^1/2

(2) ترتبط الفتحة العددية (NA) للألياف الضوئية ارتباطًا وثيقًا بكفاءة اقتران مصدر الضوء، وحساسية فقدان الألياف للانحناء الدقيق، وعرض النطاق الترددي. تسهل الفتحة الرقمية الأكبر عملية الاقتران، وتقلل من حساسية الانحناء الدقيق، وتؤدي إلى عرض نطاق ترددي أضيق. يتم تعريف الحد الأقصى للفتحة العددية النظرية على النحو التالي:

في الصيغة، n هو معامل الانكسار للنواة الموحدة للألياف ذات معامل الانكسار - (معامل الانكسار n(0) للمركز الأساسي للألياف ذات معامل الانكسار -المدرجة)؛ ng هو معامل الانكسار للكسوة الموحدة.

(3) قطر مجال الوضع يمكن تعريف قطر مجال الوضع بواسطة وظيفة النقل لمجال الوضع الأساسي Ea، أي العرض بين نقطتين 1/é على منحنى العلاقة بين وظيفة النقل في مجال الوضع الأساسي Ea وشعاعي r هو قطر مجال الوضع.

تقدير قطر حقل القالب: 2S.=2入/(πn√△)

في الألياف ذات الوضع الفردي-، يتم استخدام قطر مجال الوضع بدلاً من القطر الأساسي. والسبب هو أن الألياف ذات القطر الأساسي نفسه سيكون لها توزيعات مجال مختلفة للوضع تحت توزيعات مختلفة لمؤشر الانكسار، ويعتمد أداء نقل الألياف على توزيع مجال الوضع.

بالنسبة للبناء، إذا كان قطر مجال الوضع غير متطابق في اتصال الألياف، فإن الانحراف الكبير سيزيد من فقدان الاتصال. يحدد ITU-T قطر مجال الوضع بأنه (9-10) ± 1 ميكرومتر.

(4) الطول الموجي للقطع (حالة الإرسال ذات الوضع الفردي -) الطول الموجي للقطع هو الشرط للألياف ذات الوضع الفردي - لضمان الإرسال في الوضع الفردي -. بعد هذا الطول الموجي، لم يعد يتم نشر وضع LP -الأمر الثاني. يختلف الطول الموجي المقطوع عن المعلمات الأخرى من حيث أنه ليس ثابتًا ولكنه يتغير مع الطول. يتطلب ذلك أن يكون الطول الموجي المقطوع للألياف ذات الوضع الفردي -أصغر من الطول الموجي التشغيلي لنظام الاتصالات البصرية. في الوقت الحالي، يبلغ الطول الموجي المقطوع للألياف أحادية الوضع - 1.10~1.28 ميكرومتر، ويتم تحديده بواسطة اختلاف معامل الانكسار النسبي Δ والشكل المقطعي -.

التأثيرات غير الخطية للألياف الضوئية

في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية ذات السعة العالية وتقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM) الحالية-والسرعة العالية- مع مضخمات الألياف المشبعة بالإربيوم-، تنقل الألياف الضوئية أطوال موجية متعددة وطاقة عالية. يمكن أن تسبب هذه القوة الضوئية العالية تأثيرات غير خطية مختلفة بسبب التفاعل بين الإشارة والألياف. إذا لم يتم قمع هذه التأثيرات غير الخطية بشكل صحيح، فإنها يمكن أن تؤثر بشدة على أداء النظام وتحد من مسافة المكرر القابلة للتجديد. تشير الخطية أو اللاخطية إلى خصائص الضوء ضمن وسط النقل، وليس إلى خصائص الضوء نفسه. ومع ذلك، فإن وجود مجال بصري يغير خصائص الوسط. عندما يتعرض وسط ما لمجال بصري قوي، فإن الإلكترونات الموجودة داخل الذرات أو الجزيئات التي تشكل الوسط تتحول أو تهتز، مما يسبب الاستقطاب. تظهر موجات ثنائي القطب داخل الوسط المستقطب، وتشع ثنائيات القطب هذه موجات كهرومغناطيسية لها نفس التردد، والتي يتم تركيبها على المجال الساقط الأصلي، لتصبح المجال البصري الإجمالي داخل الوسط. يوضح هذا أن التغيرات في خصائص الوسط تؤثر بدورها على المجال البصري.

يمكن تقسيم التأثيرات غير الخطية للألياف الضوئية إلى فئتين: التشتت المحفز واضطراب معامل الانكسار.

◇ يحدث التشتت المحفز في الأنظمة المعدلة حيث تتفاعل الإشارات الضوئية مع الموجات الصوتية أو اهتزازات النظام في الألياف الضوئية؛ أي أن المجال البصري ينقل بعض الطاقة إلى الوسط غير الخطي. ينتمي نثر رامان المحفز ونثر بريلوين المحفز إلى هذه الفئة.

يحدث تشتت رامان المحفز (SRS) بسبب تعديل (تفاعل) الاهتزازات الجزيئية في الوسط عند الضوء الساقط (يسمى ضوء المضخة)، مما يؤدي إلى تشتت الضوء الساقط. فليكن تردد الضوء الساقط، وتردد الاهتزازات الجزيئية للوسط ν، فإن ترددات الضوء المتناثر هي ∞=∞∞ و ν=∞, +∞. وتسمى هذه الظاهرة بتشتت رامان المحفز. ويسمى الضوء المبعثر بتردد ∞ بموجة ستوكس؛ يُطلق على الضوء المبعثر بتردد ν اسم موجة ستوكس المضادة-.

◇في ظل الطاقة الضوئية المنخفضة، يظل معامل الانكسار لألياف زجاج السيليكا ثابتًا بسبب اضطراب معامل الانكسار. ومع ذلك، عند استخدام مضخم الألياف الصابورة للحصول على طاقة بصرية عالية، فإن تغيير شدة الإشارة المرسلة يمكن أن يؤدي إلى تغيير في معامل انكسار الألياف. هناك ثلاثة تأثيرات غير خطية ناتجة عن اضطراب معامل الانكسار وهي تعديل الطور الذاتي - (SPM)، وتعديل الطور المتقاطع (CPM)، وخلط الموجات الأربعة -.

يشير تعديل الطور الذاتي- (SPM) إلى الظاهرة التي يتغير فيها طور النبض البصري أثناء الإرسال، مما يؤدي إلى توسيع نطاق النبض الطيفي. يرتبط SPM ارتباطًا وثيقًا بالتركيز على الذات-؛ إذا كان شديدًا، في أنظمة تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM)، يمكن أن يتداخل التوسع الطيفي مع القنوات المجاورة.

الخواص الميكانيكية ودرجة الحرارة للألياف الضوئية

الخواص الميكانيكية للألياف الضوئية

تعتبر الخواص الميكانيكية للألياف الضوئية أمرًا بالغ الأهمية. ألياف الكوارتز الضوئية المستخدمة في الاتصالات عبارة عن خيوط زجاجية رفيعة يبلغ قطرها الخارجي حوالي 125 ميكرومتر. الزجاج عبارة عن مادة شديدة الصلابة وغير -قابلة للسحب وهشة. يتم تحديد حد قوتها من خلال قوة الترابط لروابط Si-O داخل بنيتها. من الناحية النظرية، يقدر الضغط المطلوب لكسر الروابط الذرية Si-O بـ 19600–24500 نيوتن/مم²، وبالتالي، يمكن للألياف الضوئية التي يبلغ قطرها الخارجي حوالي 125 ميكرومتر أن تتحمل قوة شد تبلغ 294 نيوتن. ومع ذلك، توجد تشققات حتمًا على السطح أو داخل الألياف الضوئية الفعلية. عندما تتعرض الألياف لقوة خارجية، حتى الشقوق الصغيرة جدًا-يمكن أن تتوسع وتنتشر، مما يسبب كسرًا كارثيًا، مما يقلل بشكل كبير من قوة كسر الألياف (حوالي 1/4 من القيمة النظرية). ولذلك، بدءًا من تطوير الألياف الضوئية وحتى تطبيقها على نطاق واسع-تم استثمار قدر كبير من الجهد والموارد والتمويل للتغلب على هذه التحديات. في الوقت الحالي، تقوم أقسام البحث والتصنيع والكابلات والبناء بإجراء مزيد من البحث في كيفية تحسين قوة الشد وعمر الخدمة للألياف الضوئية.

يجب ألا تقل قوة الشد للألياف الضوئية المتوفرة تجاريًا عن 2.35 نيوتن من قوة الشد. حاليًا، وصلت قوة الشد للألياف الضوئية المتوفرة تجاريًا إلى 0.5% من قوة الشد، أو 432 جم من قوة الشد. تتمتع الألياف الضوئية المستخدمة محليًا في المشاريع الهندسية عمومًا بقوة شد أكبر من 400 جرام من قوة الشد. تتمتع الألياف الضوئية الأجنبية ذات الجودة الأفضل بمقاومة شد تتجاوز 700 جرام من قوة الشد، كما تتطلب الألياف المستخدمة في الكابلات البحرية قوة شد أعلى. يتم تحقيق هذه المتطلبات لقوة الشد للألياف الضوئية من خلال طرق الفحص أثناء عملية تصنيع الألياف.

يُشار إلى العمر الافتراضي للألياف الضوئية عمومًا باسم عمر الخدمة. من منظور الأداء الميكانيكي، يشير عمر الخدمة إلى عمر الكسر. في تصنيع وهندسة الألياف والكابلات الضوئية، تم تصميم عمر خدمة يبلغ 20 عامًا بشكل عام. ومع ذلك، فإن عمر الخدمة الفعلي للألياف الضوئية ليس ثابتًا تمامًا بسبب تأثير بيئة التشغيل (مثل درجة الحرارة والرطوبة والتعب الساكن والديناميكي). تشير التقديرات الحالية إلى أن الألياف الضوئية المصممة لعمر 20 عامًا قد تستمر في الواقع من 30 إلى 40 عامًا.

خصائص درجة الحرارة للألياف الضوئية

تشير خصائص درجة حرارة الألياف الضوئية إلى تأثير درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة على فقدان الألياف، مما يؤدي عمومًا إلى زيادة الخسارة. يزداد فقدان الألياف في ظل ظروف درجات الحرارة العالية والمنخفضة على حد سواء لأن المواد المستخدمة في طلاء الألياف والكسوة هي راتنجات عضوية ومواد بلاستيكية، والتي لها معاملات انكماش وتمدد أكبر بكثير من الكوارتز. ولذلك، عند درجات الحرارة المنخفضة، تتعرض الألياف لقوة ضغط محورية، مما يتسبب في انحناء دقيق-، بينما في درجات الحرارة المرتفعة، تتعرض لقوة استطالة محورية، مما يولد الإجهاد ويؤدي إلى زيادة الخسارة. توضح خصائص درجة حرارة الألياف الضوئية أنه مع انخفاض درجة الحرارة، يزداد فقدان الألياف أيضًا. عندما تنخفض درجة الحرارة إلى حوالي -55 درجة، يزداد الفقد بشكل كبير، مما يجعل النظام غير صالح للاستخدام. في الوقت الحالي، وصلت خصائص درجات الحرارة المنخفضة-للألياف الضوئية إلى مستوى جيد؛ بشكل عام، عند -20 درجة، تكون زيادة الخسارة أقل من 0.1 ديسيبل/كم، وبالنسبة للألياف عالية الجودة، تكون أقل من 0.05 ديسيبل/كم.

يعد أداء درجة الحرارة المنخفضة-للألياف الضوئية أمرًا بالغ الأهمية. بالنسبة للكابلات والخطوط الضوئية العلوية في المناطق الشمالية، فإن الأداء الضعيف لدرجات الحرارة المنخفضة-سيؤثر بشدة على جودة الاتصال. لذلك، أثناء تصنيع الألياف الضوئية، من الضروري اختيار مواد الطلاء والكسوة المناسبة وتحسين العمليات. في التصميم الهندسي، لا بد من اختيار الألياف الضوئية ذات الخصائص الممتازة.