Światłowody kapilarne



Pobieranie 21,19 Mb.
Strona32/53
Data24.02.2019
Rozmiar21,19 Mb.
1   ...   28   29   30   31   32   33   34   35   ...   53

4.4.4 Straty mikrozgięciowe

Straty transmisyjne światłowodu, także SK, zależą od jego wygięcia i od mikrozgięć [20]. Mierzy się je analogicznie jak opisano powyżej, jednocześnie poddając światłowód standaryzowanemu wygięciu poprzez nawinięcie kilku zwojów włókna na trzpień o wymaganej średnicy. Straty mikrozgięciowe indukuje się w światłowodzie w warunkach pomiarowych odciskając włókno na twardej siatce o znanym spektrum częstotliwości mechanicznych. SK jest na ogół bardziej czuły na mikrozgięcia od światłowodu klasycznego.

Straty spowodowane jednorodnym wygięciem światłowodu Sb[dB/cm] zależą eksponencjalnie od promienia wygięcia R[mm] i liniowo od różnicy współczynników załamania Δn. Wyraża się je zależnością:

Sb = [π1/2u2/V2(wRa)1/2K1(w)]exp[-4Δnw3R/3V2a], (2)

gdzie: V2=w2+u2 częstotliwość znormalizowana, w-stała zaniku pola w płaszczu światłowodu, u-stała propagacji, K1(w)-modyfikowana funkcja Bessela pierwszego rodzaju i pierwszego rzędu, a-promień rdzenia, Δn-refrakcja różnicowa.

a) b)



c) d)


Rys. 6. Straty zgięciowe światłowodu klasycznego i SK dla argumentów: a) δ, b) R, c) Δn, d) V.

W światłowodzie kapilarnym, do obliczenia i oceny strat zgięciowych stosuje się argument w postaci znormalizowanej szerokości otworu kapilarnego δ=b/a, gdzie b jest promieniem kapilary, a jest sumą promienia kapilary i grubości pierwszej warstwy wysokorefrakcyjnej przyległej do kapilary, czyli jest średnicą tzw. rdzenia kapilarnego. Rdzeniem kapilarnym nazywamy obszar w SKR obejmujący otwór kapilarny i pierwszą warstwę szkła wysokorefrakcyjnego. Na rys. 6 przedstawiono obliczone obszary strat zgięciowych światłowodu klasycznego i SK dla różnych wartości argumentów: δ, Δn, R, V. Różnicowe straty zgięciowe między światłowodem klasycznym i SK są do pominięcia dla δ<0,05. W praktyce, wartość δ>0,2.
4.4.5 Charakterystyki modowe

W SK jednomodowym lub niskomodowym rozprzestrzenia się jeden lub zaledwie kilka rodzajów fal, nazywanych modami. Określenie charakterystyk modowych w takim światłowodzie polega na obliczeniu oraz pomiarowym znalezieniu zakresu istnienia modu podstawowego i modów najniższego rzędu w funkcji częstotliwości znormalizowanej V [21,22]. Jeśli mod podstawowy istnieje od zerowej wartości V, to obszar jednomodowy rozciąga się w zakresie 0odc, gdzie Vodc jest częstotliwością odcięcia modu następnego rzędu po modzie podstawowym. Jeśli mod podstawowy istnieje od pewnej niezerowej wartości częstotliwości znormalizowanej Vo, to obszar jednomodowy SK jest w zakresie Voodc. W światłowodzie niskomodowym wartości częstotliwości znormalizowanej odcięcia poszczególnych modów są na ogół różne. W światłowodzie wielomodowym zaczynają się pokrywać i rozróżnienie indywidualnych modów, a szczególnie tych o podobnym rozkładzie pola w przekroju poprzecznym światłowodu, staje się niemożliwe. Charakterystyki modowe mają znaczenie praktyczne w światłowodach jednomodowych i niskomodowych. W SK wielomodowych mówi się raczej o rozkładzie mocy optycznej w przekroju poprzecznym włókna optycznego. Wskutek znacznej ilości modów i pewnym mieszaniu między nimi w światłowodzie wielomodowym mówi się o kontinuum modowym. Pomiar charakterystyk modowych w światłowodzie jednomodowym (także w SK) polega na pomiarze wartości Vodc. W światłowodzie wielomodowym polega on na ogół na pomiarze profilu mocy optycznej. Na pomiar charakterystyk modowych mają wpływ warunki i metody pobudzenia światłowodu.

Fala świetlna może być wprowadzana do światłowodu w różny sposób. Warunki pobudzania determinują rozkład fali wzdłuż włókna optycznego. W światłowodzie wielomodowym moc impulsów optycznych jest przenoszona w wielu indywidualnych modach. W przypadku światłowodu jednomodowego moc jest częściowo prowadzona w modzie podstawowym a częściowo wypromieniowywana. Mówimy o pobudzeniu całkowitym, jeśli cały rdzeń światłowodu został oświetlony źródłem Lamberta lub innym odpowiednim źródłem, promieniującym w kącie szerszym niż kąt aperturowy włókna. Takie oświetlenie pobudza wszystkie mody prowadzone, wyższego i niższego rzędu, w światłowodzie wielomodowym, oraz mody upływowe. W światłowodzie jednomodowym pobudzenie źródłem Lamberta jest nieskuteczne. Konieczne jest pobudzenie intensywną wiązką skolimowaną o parametrach dobranych do parametrów światłowodu. Po pewnym czasie lub powyżej pewnej długości światłowodu, stan pobudzenia (rozkład mocy optycznej w przekroju poprzecznym światłowodu) może ulec stabilizacji. W światłowodzie jednomodowym, gdzie w niewielkiej odległości od miejsca pobudzenia prowadzone są mody płaszczowe, następuje to wtedy, gdy zastosowane jest pokrycie o współczynniku załamania większym od płaszczowego. Jeśli jest brak takiego pokrycia, zagięcie światłowodu o odpowiednio niewielkim promieniu usuwa skutecznie stratne mody płaszczowe. Zgięcie takie nie powinno jednak wprowadzać strat modu podstawowego lub innych modów prowadzonych. Istnieją także specjalne standaryzowane urządzenia nazywane filtrami modów płaszczowych. Usunięcie tych modów jest istotne, gdyż podczas pomiaru mogą prowadzić do nieprawidłowych wyników parametrów modowych, transmisyjnych i refrakcyjnych.

W pełni pobudzony światłowód wielomodowy prowadzi wiele niskostratnych modów upływowych. Tłumienie tych modów jest ich wartością własną. Występują zjawiska mieszania modów, czyli transferu mocy, spowodowane nieidealnością światłowodu oraz różnego rodzaju opóźnieniami modowymi. Warunki na wyjściu światłowodu wielomodowego zależą od warunków pobudzania. W celu wyeliminowania niejednoznaczności pomiarowej wynikającej z tych zjawisk dąży się do uzyskania jak najszybciej równowagowego stacjonarnego rozkładu modów. Metody uzyskania rozkładu stacjonarnego polegają na zastosowaniu filtra modów wyższego rzędu przy pobudzeniu pełnym lub częściowym pobudzeniu światłowodu wiązką nie pokrywającą całej powierzchni rdzenia i nie wypełniającą całej apertury numerycznej. Za współczynnik wypełnienia przyjmuje się często wartość 70%. W celu stwierdzenia czy dany sposób pobudzenia tworzy stacjonarny rozkład modów mierzy się rozkłady pól dalekiego i bliskiego.

SK można pobudzać analogiczne jak dla światłowodu klasycznego, korzystając ze standardowego sprzętu światłowodowego, jak światłowodowe nadajniki i odbiorniki optoelektroniczne, ale także w sposób optymalizowany dla tego rodzaju włókna optycznego. Optymalizacja polega na zwiększeniu sprawności energetycznej pobudzania. Największą skuteczność pobudzenia SK jednomodowego uzyskuje się za pomocą, dopasowanej wymiarowo i aperturowo, ciemnej pustej wiązki światła.
4.4.6 Dyspersja chromatyczna

W światłowodach transmisyjnych, obok tłumienia sygnału optycznego, drugim najbardziej fundamentalnym parametrem transmisyjnym światłowodu jest pasmo, które jest określone przez dyspersję chromatyczną [23] i jest funkcją długości światłowodu. Parametrem katalogowym światłowodu jest pasmo jednostkowe 3dB, określane w dziedzinie czasu w jednostkach [ps/nm·km] lub w dziedzinie częstotliwości w jednostkach [GHz/km]. W światłowodzie instrumentacyjnym, nietelekomunikacyjnym, o niewielkiej długości, pasmo transmisji sygnału, w wielu przypadkach aplikacyjnych, nie ma większego znaczenia. Dyspersja chromatyczna może mieć znaczenie, także w SK, jeśli jest w danym rodzaju światłowodu wykorzystywana np. do celów czujnikowych lub przetwarzania sygnału optycznego. Tak jest np. jeśli zastosowany mechanizm czujnikowy zmienia/ogranicza znacznie pasmo włókna optycznego.

Ogólnie, każdy światłowód jest filtrem dolno przepustowym o dobrze określonej transmitancji, która jest inna dla światłowodu wielomodowego i jednomodowego. W światłowodzie wielomodowym różne rodzaje fal rozprzestrzeniają się po różnych drogach optycznych, w konsekwencji posiadając różne prędkości wzdłuż osi włókna. W światłowodzie jednomodowym mod podstawowy może mieć dwa ortogonalne polaryzanty, podlegające nieco różnej dyspersji. W światłowodzie jednopolaryzacyjnym mod jest pobudzany przez rzeczywiste źródło światła o skończonej szerokości spektralnej, co jest powodem dyspersji chromatycznej. W światłowodzie wielomodowym dyspersja, a także tłumienie, zależą od sposobu pobudzania włókna. W rzeczywistym światłowodzie wielomodowym występuje zjawisko częściowego mieszania modów.

Dyspersja w światłowodzie jednomodowym jest sumą składnika materiałowego i strukturalnego. Składnik materiałowy zanika w światłowodach ze szkła krzemionkowego w okolicy długości fali λ=1,3 μm. Dla szkieł tlenkowych lekkich ta długość fali jest podobna a dla szkieł cięższych jest większa. Składnik strukturalny zależy od Δn, a i profilu refrakcji i ma w pewnym zakresie długości fal przeciwny znak do składnika materiałowego. Pozwala to na przesuwanie długości fali zerowej dyspersji całkowitej światłowodu, na ogół w kierunku fal dłuższych, gdzie włókna optyczne transmisyjne mają mniejsze tłumienie. Możliwość przesuwania zera dyspersji chromatycznej światłowodu może być potencjalnie wykorzystywana do optymalizacji konstrukcji czujników i światłowodowych elementów funkcjonalnych.

Dyspersja w światłowodzie jednomodowym może być przedstawiona następującą zależnością:

D = (λd2n /2cdλ2)[(b+(1+V)db/dV) + 2-(b+(1+V)db/dV] , (3)

gdzie b=(β2/k2-n2)/(NA)2-znormalizowana stała propagacji, β-stała propagacji modu podstawowego, V=akNA-częstotliwość znormalizowana, a-promień rdzenia, promień rdzenia kapilarnego, c-prędkość światła w próżni, k=2π/λ-liczba falowa w próżni. Pierwszy czynnik we wzorze jest dyspersją materiałową a drugi falowodową (strukturalną).
4.4.7 Charakterystyki wrażliwościowe

Charakterystyki wrażliwościowe światłowodu obejmują wszelkiego rodzaju zależności podstawowych parametrów włókna optycznego (tłumienia, dyspersji) od oddziaływania zewnętrznego. Oddziaływania zewnętrzne mogą być następujące:



  • mechaniczne – wygięcie włókna, mikrozgięcia, drgania (tzw. oddziaływania mikrofonowe), naprężenia wzdłużne statyczne i dynamiczne,

  • akustooptyczne – oddziaływania mechaniczne szybkozmienne,

  • termiczne – szoki termiczne, zmiany temperatury pracy,

  • optyczne – oddziaływanie dużego natężenia fali optycznej,

  • elektromagnetyczne – oddziaływanie szybkozmiennych pól EM,

  • elektryczne i magnetyczne – oddziaływanie statycznych lub wolnozmiennych pól elektrycznych i magnetycznych,

  • chemiczne – oddziaływanie chemiczne z włóknem optycznym, odporność na środowisko chemicznie aktywne, odporność na wodę, podatność na penetrację jonów OH-,

  • mieszane – termiczne i mechaniczne, termiczne i chemiczne, optyczne i mechaniczne, itp.

SK może mieć specyficzne wartości charakterystyk wrażliwościowych, odmienne od światłowodów klasycznych. W szczególności w SK otwór kapilarny może być wypełniany cieczą lub gazem, zmieniając profil refrakcji włókna i wrażliwość profilu na oddziaływania wewnętrzne i zewnętrzne. Także odmienne mogą być charakterystyki wrażliwościowe włókien SKR i SKF.
4.4.8 Pole bliskie i pole dalekie oraz profile luminancji

Pole bliskie i pole dalekie światłowodu [24] jest relatywnie łatwo mierzalne i można z niego określić wiele innych parametrów włókna optycznego. Pole bliskie światłowodu jest polem optycznym obserwowanym bezpośrednio na powierzchni wyjściowej światłowodu, np. za pomocą mikroskopu i kamery CCD, lub tym polem rzutowanym na ekran za pomocą odwzorowującego układu optycznego. Pole dalekie światłowodu jest polem optycznym bezpośrednio promieniowanym z zakończenia włókna optycznego bez udziału optycznego układu odwzorowującego i obserwowanym na ekranie w odległości znacznie większej od średnicy rdzenia. Pole bliskie E(r) jest jednoznacznie związane z polem dalekim poprzez klasyczną całkę dyfrakcyjną:


1   ...   28   29   30   31   32   33   34   35   ...   53


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna