Аналіз втрат, які виникають у процесі монтажу оптичних кабелів зв’язку

З’єднання ОК призводять до виникнення втрат енергії оптичного сигналу. В порівнянні з традиційними кабелями, втрати в з’єднанні оптичних волокон можуть бути досить великими, досягати і навіть перевищувати по величині рівень затухання сигналу на ділянках довжини в декілька кілометрів.

Причини, які викликають такі втрати, можна умовно поділити на “внутрішні” і “зовнішні”.

До першої групи відносять втрати, які виникають внаслідок невідповідності оптико-геометричних параметрів ОВ, що з’єднуються. Це такі параметри: різниця в діаметрах серцевин, різниця в числових апертурах, невідповідність у профілях показників заломлення та самих показників заломлення, еліптичність та неконцентричність ОВ, які з’єднуються.

Друга група втрат зумовлена конструкцією з’єднувача, який використовується. Це втрати внаслідок: поперечного та повздовжнього зсувів осей, непаралельність (кутове зміщення) осей, неперпендикулярність торців ОВ з їхніми осями, відбиття при переході з одного середовища в інше (френелеві втрати).

Френелеві втрати виникають на границі розділу двох середовищ (рисунок 2.2.1)

При з’єднанні волокон за допомогою неузгоджених механічних з’єднувачів або оптичних рознімів, коли існують дві границі розділу (скло-повітря-скло), втрати можна обчислити за формулою:

, (2.2.1)

де – коефіцієнт передачі з’єднання, який визначається за співвідношенням:

, (2.2.2)

де , – показник заломлення навколишнього середовища (здебільшого повітря). Під коефіцієнтом передачі розуміємо відношення потужності випромінювання, яке пройшло через границю, до потужності хвилі, що впала на границю розділу.

Якщо =1.46, =1, то =0.96 і =0.16 дБ, що є теоретичним мінімумом втрат в таких з’єднаннях. Для зменшення таких втрат у механічних з’єднаннях використовують імерсійні речовини, які мають показник заломлення, близький до показника заломлення серцевини. У цьому випадку втрати складають величину менше 0.1 дБ.

Додамо, що обернена хвиля може взаємодіяти з активним середовищем лазерного випромінювача і врешті – решт приводити до хибних додаткових світлових сигналів.

Значно зменшати зазор можна також, якщо торці з’єднуваних волокон зробити сферичними. Це дозволяє здійснити так званий фізичний контакт торців (physical contact PC).

Ще більше зменшити обернене розсіяння можна за рахунок кутового (нахильного) фізичного контакту (angled PC, APC), коли торці ОВ обробляються під певним кутом (8-12^о) до площини, перпендикулярної осі волокна. Відбита хвиля не ввійде у світловод, якщо кут розповсюдження відбитої хвилі більше, ніж апертурний кут.

При наявності поперечного зсуву оптичних волокон потужність хвилі, яка пройшла через границю між середовищами, залежить від профілю показника заломлення, величини зсуву та діаметра серцевини.

Для ступінчастих і градієнтних багатомодових оптичних волокон коефіцієнти передачі відповідно визначаються виразами:

; (2.2.3*)

, (2.2.4*)

де – величина зсуву, – діаметр серцевини оптичного волокна, , – показник заломлення серцевини (ступінчасте волокно) або ( – максимальний показник заломлення на осі волокна градієнтного волокна).

Для одномодових волокон, в яких модуль амплітуди поля описується розподілом Гауса, коефіцієнт передачі з’єднання має вигляд:

, (2.2.5*)

де – діаметр модової плями. Для гаусового пучка може бути наближено розрахований за формулою:

, (2.2.6*)

де – нормована частота, – числова апертура ОВ.

Типова залежність величини втрат від величини поперечного зсуву наведена на рисунку 2.2.2.

Якщо відома величина коефіцієнта передачі, то втрати в з’єднаннях визначають за формулою (2.2.1). У випадку радіального зміщення (за умови, що коефіцієнт передачі при відсутності зсуву дорівнює 1) наближено може бути розрахований за співвідношенням:

. (2.2.7)

Більш точне значення можна отримати, якщо врахувати френелеві втрати при проході випромінювання через границю.

Іншій тип зміщення оптичних волокон – це кутове зміщення. У цьому випадку для багатомодових волокон потужність світлової хвилі, яка пройшла через границю між середовищами, залежить від показника заломлення серцевини, оболонки (іншими словами, від відносного показника заломлення) і кутового зміщення. Для одномодових волокон вона також залежить від діаметра модової плями.

Коефіцієнт передачі для багатомодових волокон з ступінчастим профілем та градієнтом показника заломлення, а також у випадку одномодового волокна визначаються відповідно співвідношеннями:

; (2.2.8*)

; (2.2.9*)

, (2.2.10*)

де , – кутове зміщення.

Без врахування френелевих втрат коефіцієнт передачі можна наближено обчислити за формулою:

, (2.2.11)

де - апертурний кут.

Останній тип зміщень ОВ – це повздовжні зсуви волокон. У цьому випадку для багатомодових волокон

, (2.2.12*)

для одномодового волокна

, (2.2.13*)

де - відстань між торцями.

Без врахування френелевих втрат коефіцієнт передачі можна наближено обчислити за формулою:

. (2.2.14)

Типова залежність величини втрат від величини повздовжнього зсуву наведена на рисунку 2.2.3.

Рис. 2.2.3 Рис. 2.2.4

Серед факторів першої групи, що зумовлюють втрати в з’єднаннях ОВ, найбільш істотними є різниця в діаметрах серцевин (рис. 2.2.4) та числових апертур.

Як бачимо з рисунка величина втрат залежить від напрямку розповсюдження світлової хвилі. Для напрямку розповсюдження з волокна з меншим діаметром у волокно з більшим діаметром величина втрат визначається практично лише френелевими втратами.

Загальні втрати в з’єднанні визначаються співвідношенням:

, (2.2.15)

де – втрати різного характеру.