Światłowody kapilarne



Pobieranie 21,19 Mb.
Strona7/53
Data24.02.2019
Rozmiar21,19 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   53

2.2 Refrakcja i geometria światłowodów kapilarnych

Danymi wyjściowymi do analizy wiązek światła i modów fal SK są następujące parametry bezwzględne i względne oraz efektywne refrakcji a także parametry bezwzględne i względne geometrii włókna optycznego [1-2]:



  • refrakcja bezwzględna (fizyczna, fazowa): kapilara no=1­ dla próżni lub no≈1 dla powietrza, no>1 dla wypełnienia otworu kapilary cieczą, nr rdzeń, np płaszcz, nd obniżony płaszcz;

  • refrakcja analizowanych rodzajów SK dla rdzenia: wysokokrzemionkowy nr=1,48, szkło wieloskładnikowe nr=1,58, dla λ=1μm;

  • refrakcja analizowanych rodzajów SK dla płaszcza: wysokokrzemionkowy nr=1,46, szkło wieloskładnikowe nr=1,55, dla λ=1μm;

  • refrakcja pokrycia zabezpieczającego SK: wysoko-krzemionkowy nj=1,52, wieloskładnikowy nj=1,6;

  • refrakcja różnicowa bezwzględna równa z definicji Δn12=n1-n2 czyli: Δnrd=nr-nd, Δnrp=nr-np, Δnpd=np-nd;

  • refrakcja różnicowa względna równa z definicji Δ12=(n12-n22)/2n12≈(n1-n2)/n1, czyli: Δrd≈(nr-nd)/nr, Δrp≈(nr-np)/nr, Δpd≈(np-nd)/np;

  • refrakcja różnicowa bezwzględna (fazowa) analizowanych rodzajów SK: Δnrp=0,1 – 0,2%;

  • refrakcja efektywna (własna refrakcja modowa): nr>neff>np, neff=β/k, β=βm,l-stała propagacji modu zależna od dwóch liczb modowych, azymutalnej m i radialnej l, ko=2π/λ-liczba falowa w próżni, k=nko-liczba falowa w szkle o refrakcji n;

  • refrakcja grupowa równa z definicji: ng=n-dn/dλ;

  • refrakcyjna dyspersja materiałowa równa z definicji: dng/dλ=dn/dλ-λd2n/dλ2;

  • apertura numeryczna równa z definicji NA=sqrt(n12-n22)=sinθmax dla n1>n2, czyli: apertura numeryczna wewnętrzna SK NArc=sqrt(nr2-no2), apertury numeryczne zewnętrzne NArp=sqrt(nr2-np2), NArd=sqrt(nr2-nd2);

  • apertura numeryczna analizowanych rodzajów SK: NA=0,1 dla włókien wysokokrzemionkowych oraz NA=0,2 dla włókien ze szkła wieloskładnikowego;

  • częstotliwość znormalizowana równa z definicji: V=akNA=(2πaNA/c)f, gdzie a-średnica rdzenia światłowodu, dla SK równa 2rr, c=fλ-prędkość fali w próżni, ci=fλi=fniλ-prędkość fali w szkle o refrakcji ni, f-częstotliwość fali;

  • profil refrakcyjny: dwa główne typy SK i SKD; w wersji skokowej, quasi-skokowej i gradientowej (najczęściej parabolicznej); profile pokrewne światłowodów klasycznych typu W i M oraz z rdzeniem pierścieniowym; profil refrakcyjny SK ma postać jest n(x,y,z)=n(r)=1 dla rc, n(r)=nr dla rcr, n(r)=np, dla r>rr , gdzie r=sqrt(x2+y2) jest odległością od osi symetrii, rc - promień otworu kapilarnego, rp -promień płaszcza optycznego (do granicy płaszcz – pokrycie), nr i np są refrakcjami rdzenia i płaszcza kapilary optycznej;

  • promienie obszarów: rc kapilary, rr rdzenia, rd depresji refrakcyjnej w płaszczu;

  • rozmiary obszarów: dc=2rc - średnica otworu kapilary, dr=rr-rc – grubość rdzenia, dd=rd-rr – grubość depresji refrakcyjnej w płaszczu;

  • znormalizowany parametr grubości rdzenia światłowodu SK: rrc=rr/rc; rrc dla światłowodu klasycznego, rrc1 dla rr rc;

  • wymiar otworu kapilarnego rc=1-10μm dla wszystkich rodzajów SK jednomodowych;

  • standaryzowany wymiar zewnętrzny włókna, średnica df=125 µm, lub df=150 µm, bez pokrycia;

  • grubość pokrycia włókna optycznego, pokrycie twarde djh i miękkie djs: dj=djh=2÷5 µm, djs≈0,5÷1,0 mm;

  • standaryzowany wymiar zewnętrzny włókna optycznego: średnica z pokryciem twardym dfh=130 lub dfh=160µm , a średnica zarówno z pokryciem twardym jak i miękkim dfs=1mm;

  • tłumienie światłowodu rzeczywistego, równe z definicji: αL=10log(Po/PL), gdzie α[dB/km]-współczynnik tłumienia, L-długość światłowodu, moc optyczna na początku Po i na końcu światłowodu PL. Tłumienie włókna nie należy do parametrów refrakcyjnych i geometrycznych, czyli tzw. bezpośrednich parametrów projektowych, dotyczących właściwości modowych, ale konieczne jest przyjęcie w analizie założenia o niewielkich stratach. W przeciwnym przypadku, refrakcja i absorpcja są w pewnym zakresie wymienne poprzez relacje Kramersa-Kroniga. Dodatkowo straty absorpcyjne i rozproszeniowe wprowadzają we włóknie inne zjawiska niż refrakcyjne i dyfrakcyjno-interferencyjne. Przyjęcie założenia niewielkich strat oznacza ich całkowite pominięcie dla analizowanej długości włókna. Jeśli straty są duże, to dostępna do analizy długość włókna ulega skróceniu i. nie można analizować zjawisk zachodzących dla znacznej drogi propagacji fali świetlnej. Straty rozproszeniowe we włóknie mogą występować z powodów strukturalnych - refrakcyjnych i geometrycznych powodując zjawiska przepływu mocy optycznej pomiędzy modami silnie i słabo prowadzonymi, powierzchniowymi oraz słabo i silnie radiacyjnymi. Dla światłowodów instrumentalnych, których długości są od kilku m do 100 m, bezpieczne jest założenie stratności α<100 dB/km. Dla światłowodów transmisyjnych, których długości wynoszą dziesiątki kilometrów, konieczne jest założenie α<1 dB/km. Przy takich założeniach możliwe jest uproszczone projektowanie i analiza SK, nie uwzględniające strat i zjawisk z tym związanych.

  • Wytrzymałość mechaniczna włókna optycznego, mierzona parametrami rozkładu statystycznego Weibulla nie należy również do dyskutowanych tutaj parametrów, ale konieczne jest przyjęcie założenia o dostatecznej jego wytrzymałości mechanicznej, tak aby możliwa było łatwa manipulacja włóknem w warunkach laboratoryjnych, w celu dokonania pomiarów i porównań projektu z rezultatem technologicznym.

Jak wcześniej przyjęto, włókno optyczne kapilarne z jednorodnym refrakcyjnie płaszczem będzie nazywane SK (światłowód kapilarny), a włókno z niejednorodnym płaszczem SKD (światłowód kapilarny z depresją refrakcyjną). Włókno optyczne z kapilarą wypełnioną na stałe niskostratnym optycznie ciałem stałym, np. polimerem, pólprzewodnikiem, czy szkłem będziemy nazywali światłowodem pierścieniowym, i wówczas zachodzi no≠1. Otwór kapilary optycznej może być także wypełniony cieczą lub gazem, wtedy no>1. Parametry refrakcyjne i geometryczne SK, w postaci funkcji profilu refrakcyjnego n(r) przedstawiono na rys.2.

Rys.2. Refrakcja i geometria włókien optycznych kapilarnych; Profile refrakcyjne; Rozkład współczynnika załamania w przekroju poprzecznym włókna optycznego; a) SK - rozwiązanie podstawowe; b) SKD; a na c) oraz d) SKF; przy czym na c) SKFP lub SKFB, d) złożony SK o wysokorefrakcyjnym rdzeniu pierścieniowym, jak w podstawowym SK, oraz o fotonicznym płaszczu; e) fotografia przekroju poprzecznego jednomodowego SKD, widoczne są: otwór kapilarny, wysokorefrakcyjny rdzeń pierścieniowy, refrakcyjna depresja płaszczowa i fragment płaszcza optycznego, wymiary: dd=12,5µm, dr=6µm, dc=1,5µm, df=125µm, no≈1, nr=1,48, nd=1,46, np=1,47.




1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   53


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna