МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОВОДОВ И ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ
Основными механическими характеристиками световодов являются: прочность на разрыв и сдвиг, масса и гибкость. У различных типов световодов эти характеристики различны.
Предел прочности бездефектных алюмоборосиликатных стеклянных волокон диаметром 10 мкм, полученных по специальной технологии, обеспечивающей образование тонкого упрочненного поверхностного слоя толщиной 0,1 мкм, равен σ=(300-320)·107 Па [5]. При наличии микроразрывов поверхностного слоя предел прочности уменьшается до σ=(200-220)·107 Па и менее. Большая прочность бездефектного поверхностного слоя объясняется высокой упорядоченностью его молекул. Чем меньше диаметр волокна, тем большее влияние на его прочность оказывает поверхностный слой, поэтому хотя с уменьшением диаметра волокон их прочность уменьшается, удельная прочность на разрыв при этом возрастает.
Прочность волокон, состоящих из сердечника и оболочки, пропорциональна модулю упругости сердечника и разрывному удлинению оболочки. Разрывное удлинение таких волокон определяется в основном разрывным удлинением оболочки.
Сравнительно малая гибкость стеклянных волокон является основной причиной их излома в световодных жгутах. Достаточно гибкие световодные жгуты можно изготавливать из волокон диаметром не более 50 мкм.
Механические свойства пластмассовых световодных волокон и жгутов из них наиболее высокие. Они имеют высокую стойкость к разрыву и высокую степень гибкости.
Для получения высококачественных торцов световодов их поверхность шлифуют и полируют до получения высокой прозрачности. С целью уменьшения потерь света на отражение от торцов световодов на них наносят антиотражающие диэлектрические покрытия, позволяющие уменьшить коэффициент отражения до десятых долей процента.
На случай повреждения отдельных волокон в оптическом кабеле предусматривают так называемые резервные волокна, которые могут быть изолированными (без взаимных связей) и неизолированными (обладающими взаимными связями). При разрыве одного стекловолокна излучение переходит в соседние волокна, и сигнал на выходе кабеля будет отличен от нуля.
Если оптический кабель состоит из круглых однородных стекловолокон без покрытия, взаимная связь между ними имеет место на сравнительно небольшом отрезке длины, называемом длиной взаимной связи l. Величина l равняется единицам сантиметров и зависит от диаметра стекловолокна, показателя преломления материала и режима передачи.
Относительная величина мощности, переданной через оптический кабель, в котором одно из связанных волокон разорвано, будет составлять (n—1)/n первоначального значения Р1. В случае разрыва т связанных волокон относительная величина прошедшей мощности будет равна
(7.34)
Величина мощности, переданной через оптический кабель, состоящий из несвязанных волокон, определяется значительно сложнее.
ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СВЕТОВОДОВ
При изготовлении волоконных световодов необходимо контролировать диаметр сердечника, его регулярность, размеры и число вкраплений в волноводе, стабильность коэффициента преломления сердечника и оболочки, коэффициент затухания, потери энергии на возбуждение и при стыковке, модовый режим работы волновода и его дисперсионные характеристики.
Наиболее прогрессивными методами измерения диаметра волокон (как без оболочки, так и в оболочке) являются оптико-механические методы непрерывного контроля. Сущность их заключается в возможности получения при помощи микропроектора на экране проекции формы и размеров волокна в сечении. Волокно равномерно протягивается при помощи роликов через иммерсионную жидкость с коэффициентом преломления, равным коэффициенту преломления оболочки. Повышение стабильности диаметра волокна в процессе изготовления обеспечивается автоматической регулировкой скорости вытяжки [5]. Локальные измерения диаметра волокна производятся микроскопом с использованием иммерсионной жидкости.
Число и размеры вкраплений в волноводе измеряют при помощи электронного или оптического (в зависимости от их размеров) микроскопа. Установлено, что размеры вкраплений в волокне колеблются в пределах от 0,01 до 5 мкм [27].
Одним из методов измерения коэффициента преломления волокна является иммерсионный метод. В погруженном в иммерсионную жидкость образце волокна наблюдают под микроскопом полоску Бекки, которая исчезает в случае равенства коэффициентов преломления оболочки волокна (или сердечника) и иммерсионной жидкости. Коэффициент преломления последней (или смеси жидкостей) может быть измерен на жидкостном рефрактометре. Более сложным, но более точным является метод измерения коэффициента преломления волокна с помощью многолучевого интерференционного микроскопа.
Коэффициент затухания в волноводе может быть определен интегральным фотометром или резонаторным способом.
Ввод энергии в волновод осуществляется фокусировкой узкого пучка света на входной торец волокна. На выходном торце можно при помощи светосильного микроскопа исследовать модовый режим работы. Различать моды возможно посредством четвертьволновой пластинки, разлагающей электромагнитное поле волновода на две составляющие с ортогональными поляризациями.
Степень изменения формы импульсов, передаваемых по световодам, характеризует дисперсионные свойства световодов. Поэтому экспериментально оценка дисперсии может быть проведена по величине искажения импульса, прошедшего через световод, по сравнению с опорным импульсом. При этом точность измерения тем выше, чем короче импульсы.
