Propriedades geométricas e ópticas de fibras ópticas
Propriedades geométricas
As características geométricas defibras ópticasestão intimamente relacionados à construção e conexões{0}}de baixa perda. Essas características geométricas incluem diâmetro do núcleo, dimensões do revestimento, concentricidade da fibra e não-circularidade.
(1) Diâmetro do núcleo: O diâmetro do núcleo é um requisito para fibras ópticas multimodo. ITU-T especifica o diâmetro do núcleo de fibras ópticas multimodo como (50 ± 3) μm.
(2) Diâmetro Externo: O diâmetro externo da fibra óptica refere-se ao diâmetro da fibra nua. Independentemente de ser fibra multimodo ou monomodo-, o ITU-T especifica o diâmetro externo das fibras ópticas usadas para comunicação como (125 + 3) μm.
(3) Concentricidade da fibra e fora da-circularidade: concentricidade é a razão entre a distância entre o centro do núcleo e o centro do revestimento e o diâmetro do núcleo. Fora-da-circularidade inclui a fora-da-circularidade do núcleo e do revestimento e pode ser expressa pela seguinte fórmula:
Na fórmula, Dmáx.e Dminsão os diâmetros máximo e mínimo do núcleo (revestimento); Dcoé o diâmetro padrão do núcleo (revestimento).
ITU-T especifica que: o erro de concentricidade da fibra multimodo deve ser inferior a 6%; a não-circularidade principal deve ser inferior a 6% (incluindo o modo-único); a não-circularidade do revestimento deverá ser inferior a 2%; e o erro de concentricidade da fibra-monomodo deve ser de 1μm.
Propriedades ópticas
As propriedades ópticas das fibras ópticas são um fator crucial que determina o seu desempenho de transmissão.
(1) Distribuição do índice de refração: A distribuição do índice de refração das fibras multimodo determina a largura de banda da fibra e a perda de conexão; a distribuição do índice de refração das fibras-monomodo determina a seleção do comprimento de onda operacional. A fórmula geral para o índice de refração das fibras ópticas é:
Na fórmula, é a distância do eixo da fibra; n(0) é o índice de refração do núcleo da fibra quando r=0; g é o índice de distribuição do índice de refração, que possui valores diferentes resultando em diferentes distribuições de índice de refração, conforme mostrado na Figura 2-2; é o raio do núcleo da fibra (μm); e △ é a diferença relativa do índice de refração.
Índice de refração do núcleo: quando r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)g]1/2
Índice de refração do revestimento: quando r maior ou igual a ,n=n(r)=n(0)[1-2△]1/2
(2) A abertura numérica (NA) da fibra óptica está intimamente relacionada à eficiência do acoplamento da fonte de luz, à sensibilidade à perda de fibra à microcurvatura e à largura de banda. Uma abertura numérica maior facilita o acoplamento, reduz a sensibilidade à microcurvatura e resulta em uma largura de banda mais estreita. A abertura numérica teórica máxima é definida da seguinte forma:
Na fórmula, n é o índice de refração do núcleo uniforme da fibra de índice-degrau (o índice de refração n(0) do centro do núcleo da fibra de índice-graduado); ng é o índice de refração do revestimento uniforme.
(3) Diâmetro do campo modal O diâmetro do campo modal pode ser definido pela função de transferência do campo modal fundamental Ea, ou seja, a largura entre dois pontos 1/é na curva da relação entre a função de transferência do campo modal fundamental Ea e o radial r é o diâmetro do campo modal.
Estimativa do diâmetro do campo do molde:2S.=2入/(πn√△)
Na fibra-monomodo, o diâmetro do campo modal é usado em vez do diâmetro do núcleo. A razão é que fibras com o mesmo diâmetro de núcleo terão diferentes distribuições de campo modal sob diferentes distribuições de índice de refração, e o desempenho de transmissão da fibra depende da distribuição do campo modal.
Para construção, se o diâmetro do campo modal for incompatível na conexão de fibra, um grande desvio aumentará a perda de conexão. ITU-T especifica o diâmetro do campo de modo como (9-10) ± 1 μm.
(4) Comprimento de onda de corte (condição de transmissão de modo-único) O comprimento de onda de corte é a condição para a fibra-de modo único garantir a transmissão de-modo único. Além desse comprimento de onda, o modo LP de segunda{5}}ordem não se propaga mais. O comprimento de onda de corte difere de outros parâmetros porque não é constante, mas muda com o comprimento. Isso exige que o comprimento de onda de corte da fibra-monomodo seja menor que o comprimento de onda operacional do sistema de comunicação óptica. Atualmente, o comprimento de onda de corte da fibra-monomodo é de 1,10~1,28µm, determinado pela diferença relativa do índice de refração Δ e pelo formato-da seção transversal.
Efeitos não lineares de fibras ópticas
Nos atuais sistemas de comunicação de fibra óptica de alta-capacidade e alta{1}}velocidade com multiplexação por divisão de comprimento de onda densa (DWDM) com amplificadores de fibra dopada com érbio-, as fibras ópticas transmitem vários comprimentos de onda e alta potência. Esta alta potência óptica pode causar diversos efeitos não lineares devido à interação entre o sinal e a fibra. Se esses efeitos não lineares não forem suprimidos adequadamente, eles poderão impactar gravemente o desempenho do sistema e limitar a distância regenerável do repetidor. Linearidade ou não linearidade refere-se às propriedades da luz dentro do meio de transmissão, não às propriedades da luz em si. Contudo, a presença de um campo óptico altera as propriedades do meio. Quando um meio é submetido a um forte campo óptico, os elétrons dentro dos átomos ou moléculas que compõem o meio se deslocam ou vibram, causando polarização. Ondas dipolo aparecem dentro do meio polarizado, e esses dipolos irradiam ondas eletromagnéticas de mesma frequência, que se sobrepõem ao campo incidente original, tornando-se o campo óptico total dentro do meio. Isto demonstra que as mudanças nas propriedades do meio, por sua vez, afetam o campo óptico.
Os efeitos não lineares das fibras ópticas podem ser divididos em duas categorias: espalhamento estimulado e perturbação do índice de refração.
◇O espalhamento estimulado ocorre em sistemas modulados onde os sinais ópticos interagem com ondas acústicas ou vibrações do sistema em fibras ópticas; isto é, o campo óptico transfere alguma energia para o meio não linear. A dispersão estimulada de Raman e a dispersão estimulada de Brillouin pertencem a esta categoria.
O espalhamento Raman estimulado (SRS) é causado pela modulação (interação) de vibrações moleculares no meio na luz incidente (chamada luz de bomba), resultando no espalhamento da luz incidente. Seja a frequência da luz incidente , e a frequência das vibrações moleculares do meio seja ν, então as frequências da luz espalhada são ∞=∞∞ e ν=∞, +∞. Este fenômeno é chamado de espalhamento Raman estimulado. A luz espalhada com frequência ∞ é chamada de onda de Stokes; a luz espalhada com uma frequência de ν é chamada de onda anti-Stokes.
◇Sob baixa potência óptica, o índice de refração da fibra de vidro de sílica permanece constante devido à perturbação do índice de refração. Porém, ao utilizar um amplificador de fibra com lastro para obter alta potência óptica, a alteração da intensidade do sinal transmitido pode induzir uma alteração no índice de refração da fibra. Três efeitos não lineares causados pela perturbação do índice de refração são a modulação de-fase própria (SPM), a modulação-de fase cruzada (CPM) e a mistura de quatro{4}}ondas.
A modulação-de auto{0}fase (SPM) refere-se ao fenômeno em que a fase do pulso óptico muda durante a transmissão, levando ao alargamento espectral do pulso. O SPM está intimamente relacionado ao auto-foco; se for grave, em sistemas densos de multiplexação por divisão de comprimento de onda (DWDM), o alargamento espectral pode se sobrepor em canais adjacentes.
Propriedades mecânicas e de temperatura das fibras ópticas
Propriedades mecânicas das fibras ópticas
As propriedades mecânicas das fibras ópticas são cruciais. As fibras ópticas de quartzo utilizadas na comunicação são finos filamentos de vidro com diâmetro externo de aproximadamente 125 μm. O vidro é um material altamente duro, não{3}}dúctil e quebradiço. Seu limite de resistência é determinado pela força de ligação das ligações Si-O dentro de sua estrutura. Teoricamente, a tensão necessária para quebrar as ligações atômicas de Si-O é estimada em 19.600–24.500 N/mm², portanto, uma fibra óptica com um diâmetro externo de aproximadamente 125 μm pode suportar uma resistência à tração de 294 N. No entanto, rachaduras inevitavelmente existem na superfície ou dentro das fibras ópticas reais. Quando a fibra é submetida a força externa, mesmo uma micro{14}}fissura muito pequena pode se expandir e se propagar, causando uma ruptura catastrófica, o que reduz bastante a resistência à ruptura da fibra (aproximadamente 1/4 do valor teórico). Portanto, desde o desenvolvimento até a aplicação-em larga escala de fibras ópticas, esforços, recursos e financiamento significativos foram investidos na superação desses desafios. Atualmente, os departamentos de pesquisa, fabricação, cabeamento e construção estão investigando ainda mais como melhorar a resistência à tração e a vida útil das fibras ópticas.
A resistência à tração das fibras ópticas disponíveis comercialmente não deve ser inferior a 2,35 N de força de tração. Atualmente, a resistência à tração das fibras ópticas disponíveis comercialmente atingiu 0,5% de deformação, ou 432 g de força de tração. As fibras ópticas usadas internamente para projetos de engenharia geralmente têm uma resistência à tração superior a 400 g de força de tração. Fibras ópticas estrangeiras de melhor qualidade têm resistência à tração superior a 700 g de força de tração, e as fibras usadas para cabos submarinos exigem resistências ainda maiores. Esses requisitos para a resistência à tração das fibras ópticas são alcançados através de métodos de triagem durante o processo de fabricação da fibra.
A vida útil da fibra óptica é comumente chamada de vida útil. Do ponto de vista do desempenho mecânico, a vida útil refere-se à vida útil da fratura. Na fabricação e engenharia de fibras ópticas e cabos, geralmente é projetada uma vida útil de 20 anos. No entanto, a vida útil real das fibras ópticas não é totalmente consistente devido à influência do ambiente operacional (como temperatura, umidade e fadiga estática e dinâmica). As estimativas atuais sugerem que as fibras ópticas projetadas para uma vida útil de 20 anos podem, na verdade, durar de 30 a 40 anos.
Características de temperatura das fibras ópticas
As características de temperatura da fibra óptica referem-se ao impacto de altas e baixas temperaturas na perda da fibra, geralmente resultando em aumento da perda. A perda de fibra aumenta sob condições de alta e baixa temperatura porque os materiais utilizados no revestimento e revestimento da fibra são resinas orgânicas e plásticos, que têm coeficientes de contração e expansão muito maiores que o quartzo. Portanto, em baixas temperaturas, a fibra sofre força de compressão axial, causando micro-flexão, enquanto em altas temperaturas, ela sofre força de alongamento axial, gerando tensão e levando ao aumento da perda. As características de temperatura da fibra óptica mostram que à medida que a temperatura diminui, a perda da fibra também aumenta. Quando a temperatura cai para cerca de -55 graus, a perda aumenta drasticamente, tornando o sistema inutilizável. Atualmente, as características-de baixa temperatura das fibras ópticas atingiram um bom nível; geralmente, a -20 graus, o aumento da perda é inferior a 0,1dB/km e, para fibras de alta qualidade, é inferior a 0,05dB/km.
O desempenho-de baixas temperaturas das fibras ópticas é crucial. Para linhas e cabos ópticos aéreos nas regiões norte, o fraco desempenho em baixas-temperaturas afetará gravemente a qualidade da comunicação. Portanto, durante a fabricação de fibras ópticas, é essencial selecionar materiais de revestimento e revestimento apropriados e melhorar os processos. No projeto de engenharia, é fundamental selecionar fibras ópticas com excelentes características.
