Физические основы возникновения потерь в изогнутых оптических волокнах

При прокладке и монтаже оптического кабеля невозможно избежать изгибов ОВ. Радиус изгиба оптического кабеля при его стационарной прокладке существенно влияет на его эксплуатационные характеристики. Изгиб кабеля вызывает соответственно изгиб оптического волокна, которое при определенных условиях может негативно отреагировать на данное механическое воздействие, увеличив потери на прохождение сигнала, или, в крайнем случае, разрушится. Изгибные деформации во многом определяют срок службы оптических волокон.

Характерные места изгибов оптических кабелей во внешней сети телекоммуникационных станций показаны на рис. 2.10. Кроме спиралеобразного изгиба в самом кабеле, другие самые существенные изгибы волокон происходят в многочисленных местах сращивания или разветвления кабелей и в различных внутристанционных распределительных щитах. Технология, применяемая в точках разветвления и распределения, идентична технологии, применяемой в соединительных муфтах на самой трассе кабеля.

Рис. 2.10. Места изгибов оптических кабелей на внестанционных участках оптических сетей.

В указанных на рис. 2.10 местах изгиба волокно обычно прокладывается в соответствии со строгими предписаниями относительно минимального радиуса изгиба. Однако правильность укладки волокна зависит от умения исполнителя и тщательности выполнения операции. Из-за финансового давления с точки зрения снижения стоимости трудовых затрат иногда возникают случайные ошибки, в результате которых короткие длины волокон подвергаются изгибам со значительно меньшим радиусом, чем предусмотрено. Это особенно характерно для трудоемких участков абонентских линий, где требуются многочисленные изменения из-за перехода абонентов к другому оператору, миграции сети и ее реконструкции. Очень часто требуется выполнить разводку абонентских линий в местах с ограниченным пространством, например в сетях внутри зданий. Поэтому неудивительно, что в связи со все более широким применением одномодовых волокон в абонентских линиях вновь возникает проблема, связанная с макроизгибами волокон. При использовании оптических волокон, малочувствительных к изгибам, характеристики сети в меньшей степени подвержены влиянию таких дефектов и в то же время выявляются другие преимущества монтажа линий – уменьшение габаритов устройств демонтажа ОВ (муфты, шкафы, монтажные платы и пр.).

Доминирующими внешними параметрами, чувствительными к наличию макроизгибов, являются длина волны и радиус изгиба, как показано на рис. 2.11, на котором представлена зависимость затухания стандартного одномодового волокна, соответствующего рекомендации G.652 ITU-Т, от длины волны и радиуса изгиба. Здесь отчетливо видно, что при больших длинах волн, когда оптический сигнал в меньшей степени зависит от сердечника одномодового волокна, потери на изгиб значительно возрастают. Они еще больше увеличиваются, если радиус изгиба уменьшается, как это показано на рис.2.11 справа.

Рис. 2.11. Зависимость потерь, связанных с макроизгибом.

В принципе это верно, так как уменьшение радиуса изгиба приводит к появлению дополнительных напряжений в наружной части волокна и силы сжатия на внутренней части волокна. Однако это дополнительное напряжение обычно достаточно мало по сравнению с 1%-ным удлинением, которому волокно подвергается в процессе производства. Кроме того, длина изогнутого волокна на трассе невелика.

Таким образом, правильно спроектированные и проложенные сети, магистральные или абонентские линии, явно не страдают от эффектов макроизгибов. Этому способствует и заметное распространение оптических волокон, менее чувствительных к изгибам.

Следующий вопрос – возникающие в результате изгибов изменения характеристик волокна, выявление этих изменений и, желательно, их предотвращение. Поскольку изгибы обычно вызывают дополнительные потери, то этот эффект будет обнаружен только при вводе кабельной трассы в эксплуатацию после прокладки или заполнения конфигурации линии связи. Если не принимать в расчет возможность изгибов с малым радиусом в самом кабеле, то изгиб, не соответствующий требованиям спецификации, всегда будет результатом соединения волокон при сращивании.

При прокладке кабеля обычной практикой является сращивание различных длин кабеля. Индивидуальный контроль мест сращивания проводится локально после выполнения операции сращивания. Общие потери проверяются при приемке всей трассы, когда каждая оптическая волоконная линия испытывается с помощью оптического рефлектометра. Если обнаруживается дефектное место сращивания, корпус соединительной муфты должен быть вскрыт и сращивание должно быть выполнено заново. Повторный демонтаж одной-двух соединительных муфт на канал связи – обычное дело при приемке на протяженных междугородных линиях связи и городских сетях. Количество обнаруженных дефектов также зависит от числа волокон в кабеле. Для кабеля со 192 волокнами вероятность одного дефекта на соединительную муфту намного выше, чем для простого кабеля, состоящего из 6 волокон. Процесс повторного монтажа соединительной муфты достаточно обременительный и дорогостоящий, так как необходимо дополнительное время для того, чтобы команда испытателей и монтажников выкопала, демонтировала корпус соединительного устройства и выполнила повторный монтаж. Особое значение при этом имеет испытательная длина волны. Потери на сращивание сами по себе вряд ли зависят от длины волны, в отличие от потерь, вызванных изгибами в месте хранения волокна при прокладке. Т.к. при помощи обычного оптического рефлектометра нельзя различить потери, возникающие из-за сращивания, петель, образующихся в месте хранения при прокладке или случайных изгибах с малым радиусом, то неудивительно, что расширенная проверка характеристик места сращивания при длине волны 1625 нм на действующих кабелях, прошедших приемосдаточные испытания при 1550 нм, выявила большое количество очень высоких потерь на сращивание при 1625 нм.

Анализ показал, что эти дефекты были вызваны как постоянной кривизной чувствительных к изгибам волокон в зоне места хранения, так и случайными изгибами из-за неквалифицированного обращения с оптическими волокнами.

Для случайных изгибов можно определить два предельных значения: предельный срок службы и предельное значение потерь. Что касается срока службы, то радиус единичного изгиба может быть очень малым, и это не повлияет на срок службы. Доминирующее значение имеет предельная величина потерь, установленная требованиями к потерям на сращивание. Потери вследствие случайных изгибов ниже или сравнимы с потерями на сращивание. Это означает, что можно избежать отбраковки волокна при приемосдаточных испытаниях. Величина этого минимального радиуса определяется в зависимости от чувствительности волокна к изгибам.

В главе 1 было описано, что при распространении света в оптических волокнах используется принцип полного внутреннего отражения лучей от границы раздела сердцевина/оболочка. Принцип соблюдается, если угол падения луча достаточно велик, т.е. свет падает полого к плоскости отражения (рис. 1.3). При изгибе волокна с каким-то малым радиусом нарушается угловое условие, и часть излучения уходит в оболочку, где потом и высвечивается.

С точки зрения электродинамики этот процесс можно объяснить по-другому. Поле распространяемого излучения, концентрируясь в сердцевине, частично выходит в оболочку (поэтому диаметр модового поля всегда немного больше диаметра сердцевины), затухая по экспоненциальному закону.

Потери при изгибании волокна возникают по двум причинам. Во-первых, потери возникают в месте соединения прямого и изогнутого волокна и при переходе от изгиба к прямому волокну. Они обусловлены тем, что в изогнутом волокне центр модового пятна смещен относительно оси волокна на некоторую величину d, зависящую от радиуса изгиба волокна (рис. 2.12.а). В результате модовые пятна прямого и изогнутого волокна в месте их соединения оказываются смещенными также на величину d (рис. 2.12.б). Поэтому только часть мощности моды прямого волокна (диаметром w) передается моде изогнутого волокна, а остальная мощность преобразуется в моды оболочки и в конечном счете теряется.

Рис. 2.12. Возникновение потерь.

Во-вторых, мощность теряется непосредственно в самом изогнутом волокне. Это происходит из-за того, что в изогнутом волокне периферийная часть моды распространяется со скоростью больше скорости света в среде (в оболочке). Эта часть моды излучается в оболочку волокна и в итоге теряется (рис. 2.13). Величина этих потерь тем больше, чем больше число витков волокна и чем меньше радиус изгиба волокна.

Рис. 2.13. Возникновение потерь в изогнутом волокне ( - точка, где скорость распространения фазового фронта превысила скорость света в среде).

Таким образом, потери в изогнутом волокне возникают из-за двух различных механизмов. В первом случае потери зависят только от радиуса изгиба волокна и не зависят от числа витков. А во втором – они зависят и от радиуса изгиба, и от числа витков.

Фрагменты рефлектограмм SM волокна, два витка которого намотаны на цилиндрическую оправку диаметром 23мм, представлены на рисунке 2.14.

излучения (λ), но и от радиуса сердцевина (а) и от разности показателей преломления между сердцевиной и кварцевой оболочкой (n1-n2). Из этих параметров можно образовать безразмерную комбинацию, часто используемую при расчетах и называемую параметром волокна V:

(2.12)

где k = 2π/λ – волновое число (в вакууме), – радиус сердцевины, NA=(n1² - n2²)^1/2– числовая апертура.

Параметр волокна V однозначно характеризует относительные мощности, распространяющиеся в сердцевине и в оболочке волокна (рис.2.15).

Рис. 2.15. Доли мощностей первой и второй мод, распространяющихся в оболочке волокна.

Из этого рисунка видно, что при V<1 практически вся мощность первой моды сосредоточена в оболочке и, соответственно, при изгибе волокон с таким малым параметром V потери излучения будут большими.

Характерно также, что кривая относительной мощности для первой моды не обрывается при V→0. Это означает, что теоретически в волокне может распространяться излучение со сколь угодно большой длиной волны (т.е. основная мода волокна не имеет отсечки). Но при V→0 основная часть мощности распространяется вне сердцевины, то потери на изгибах в таких волокнах велики.

При V>1 доля мощности основной моды, распространяющейся в оболочке, быстро уменьшается с ростом V, соответственно уменьшаются и потери при изгибе волокна. Дальнейшее увеличение параметра V нецелесообразно, т.к. при V>2,4 в волокне уже может распространяться вторая мода (рис.2.15).

Минимальная длина волны, при которой в волокне распространяется только одна мода, называется длиной волны отсечки. Следовательно, если волокно прямое, то в нем распространяются две моды. Но вторую моду можно отсечь, изогнув волокно.

В отличие от теоретической длины волны отсечки, которую можно рассчитать, эффективная длина волны отсечки, используемая на практике (стандарт ITU-T,G.650), зависит от длины волокна и наличия в нем изгибных деформаций. После укладки волокна в оптический кабель изгибных деформаций в волокне становится больше. Поэтому максимально возможная длина волны отсечки в кабеле всегда меньше максимально возможной длины волны отсечки в волокне.

Известно, что в стандартных одномодовых волокнах типа G.652 с ростом длины волны затухание на изгибах явственно увеличивается. Это объясняется тем, что, чем дальше от длины волны отсечки (1260 нм) проходящее излучение, тем больше оно выходит в оболочку, увеличивая диаметр модового поля.

Чем ближе рабочая длина волны к длине волны отсечки, тем лучше волокно «ведет» свет и тем меньше величина дополнительных потерь, возникающих при изгибах такого волокна.

Итак, полное внутреннее отражение, которое имеет место в прямолинейном волноводе, нарушается вследствие изгиба. При вычислении потерь на излучение будем использовать геометрическую оптику для определения траектории вытекающего луча внутри сердцевины изогнутого волновода и соответствующий коэффициент прохождения мощности при определении потерь в точках поворота или отражения. Полные потери на излучение равны сумме потерь вдоль всех траекторий вытекающих лучей. Для многомодовых волокон потери на изгибе пренебрежимо малы, т.к. радиус изгиба, как правило, чрезвычайно велик по сравнению с размерами сердцевины.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что при изгибах волокна по-прежнему требуется некоторая осторожность, но продолжающаяся оптимизация конструкций волокна обеспечивает его соответствие все более жестким требованиям к монтажу и прокладке.

Каждому производителю волокна приходится идти на компромисс при создании оптимальной конструкции оптического волокна. Оптимизация собственных параметров волокна, определяющих стойкость к макроизгибам, окажет влияние и на другие параметры волокна, такие как дисперсия, собственные потери волокна, и последний, но не менее важный параметр – производительность при изготовлении волокна. Кроме того, некоторые другие параметры, такие как точный профиль показателя преломления сердечника волокна и поперечное распределение механической нагрузки, также влияют на стойкость к изгибам, хотя и в меньшей степени, чем значение отношения диаметра модового пятна к длине волны отсечки.

Рис. 2.14. Рефлектограммы потерь в SM волокне на трех длинах волн.

Из рисунка видно, что в изогнутом волокне потери увеличиваются с увеличением длины волны. Объясняется это тем, что при этом увеличивается диаметр моды и все большая часть мощности моды излучается в оболочку волокна. Этот факт используется в рефлектометрии для поиска мест изгиба волокон.

Диаметр моды и, соответственно, относительные мощности, распространяющиеся в сердцевине и оболочке волокна, зависят не только от длины волны

Глава 3. Методика расчета потерь в изогнутых
стандартных оптических волокнах