( Физические

Факторы потерь

Внутренние (собственные)

Внешние

Химические

Конструктивные и технологические

Стыковка Изгиб

Инфракрасное поглощение, обусловленное соединениями Si-О

Ультрафиолетовое поглощение, обусловленное электронными переходами

Рэлеевское рассеяние, обусловленное флюктуа-циями коэффициента преломления

Поглощение, обусловленное колебаниями молекул воды (радикал ОН)

Поглощение, связанное с нонами переходных металлов

( Отклонения конструктивных параметров (например, диаметра сердечника), коэффициента преломления, вызванные неточностью изготовления

В качестве иллюстрации на рис. 2.12 приведены теоретические кривые потерь, обусловленных физическими факторами.

Рэлеевское рассеяние вызывается пространственными флюк-туациями коэффициента преломления в сравнительно небольших интервалах (10...1000 А) относительно длины распространяющейся плоской волны. В кварцевых стеклах коэффициент этого рассеяния определяется следующей формулой (в неперах на метр нли в децибелах на километр):

где - постоянная Больцмана; 7--температура затвердевания стекла; р - коэффициент изотермического сжатия.

Как видно из формулы (2.17), коэффициент рэлеевского рассеяния пропорционален Х~*.

Поглощение из-за молекул воды (радикал ОН) обусловлено колебаниями ионов ОН, связанных с SiOz. Это поглощение на-40

Рис. 2.12. Расчетные потери в оптическом волокне

Длит Волны, шм 1,1 1,2 1,3 1,¥ 1,6 1,8 2,0

1,2 1,1 1,0 0,3 0,8 0,7 СбетаВая энергия, эВ

блюдается на длине волны 2,77 мкм основных колебаний, вблизи длины волны 1,38 мкм второй гармоники и 0,95 мкм третьей гармоники колебаний. При концентрации радикалов 10"" на волне 1,38 мкм потери поглощения составляют примерно 54 дБ/км. Из рис. 2.13 видно, как по мере уменьшения содержания ионов ОН и устранения недостатков конструкции эти потери год от года снижаются. Кривая развития волоконной техники в 1980 г. показывает, что фактор поглощения радикалами ОН почти полностью устранен (к этому времени концентрация ОН была уже 0,8•10" и ниже). На рис. 2.14 приведена зависимость потерь от длины волны для одномодового волокна. Из рисунка видно, что уже существуют волокна, имеющие при длине волны 1,57 мкм потери 0,16 дБ/км, т. е. почти предельный достижимый уровень.

Потери от изгиба волокна возникают вследствие преобразования мод, обусловленного искривлением линии передачи. Взаимное преобразование мод распространения не вызывает потерь, так как при этом преобразуется только спектральное распределение внутри волокна. Потери связаны с взаимным преобразованием мод распространения и мод излучения, т. е. мод, для которых не выполняются условия полного внутреннего отражения.

Если к оптическому волокну прикладывать давление или вызывать колебания волокна, то внутри него возникают деформации и, как следствие, изменение коэффициента преломления. Это явление называется эффектом фотоупругости (см. п. 2.4.3). Оно приводит к изменению числовой апертуры волокна, а значит, и числа мод распространения. Поскольку общее количество световой энергии, передаваемое по оптическому волокну, пропорционально числу мод, то под влиянием приложенного давления и вынужденных колебаний изменяются и потери передачи.

Длина болны. тм

Рис. 2.13. Изменение спектра потерь в многомодовом оптическом волокне в период с 1977 по 1980 гг.

2.4.2. Прочностные характеристики. Оптические волокна, не имеющие дефектов, обладают достаточной прочностью, но внешние повреждения могут значительно снизить ее. Поэтому с целью

повышения прочности волокна на растяжение, на изгиб, а также для защиты его поверхности и улучшения эксплуатационных свойств волокно покрывается составом на основе смолы. Это покрытие грубо делится на первичное, которое предназначено для упрочнения волокна и выполнено обычно из кремнийорга-нического полимера (полиуретана и т. п.), и вторичное, которое наносится на первое в виде пленки, например из нейлона, полиэтилена, служащей оболочкой оптического волокна.

На рис. 2.15 показаны результаты измерения прочности при растяжении волокна. Часто дефекты на поверхности волокна возникают после его растяжения, поэтому нанесение покрытия в процессе растяжения препятствует их появлению, в результате чего прочность волокна повышается примерно на порядок. При этом увеличивается и прочность на изгиб, которая тоже явJJяeтcя важной механической характеристикой, всегда учиты-

1,1 1,1 1,3 1,¥ 1.5 1,Б 1,7 1,д Длина болны, тм

0,81 2 ¥ Нагрузка, кг

6 е 10

Рис. 2.14. Зависимость потерь от длины световой волиы в одномо-довом оптическом волокне

Рис. 2.15. Прочность на разрыв при растяжении кварцевого оптического волокна без покрытия (левая кривая) и с покрытием (правая кривая) Диаметр сердечника 125 мкм

ваемой в ходе эксплуатации волокна. Волокно с первичным покрытием даже при изгибе до радиуса 0,5 мм не ломается (здесь необходимо помнить, что изгибы значительно увеличивают потери).

Первоначальной целью покрытия волокна оболочкой, например, из кремнийорганического полимера, являлось улучшение его механической прочности, но эти покрытия играют также важную роль в стабилизации характеристик передачи волокна. В частности, сравнительно мягкая пленка толщиной в несколько десятков микрон, выполненная из кремнийорганического полимера, смягчает изменение характеристик передачи, вызываемое колебаниями температуры и внешней нагрузкой.

2.4.3. Физические свойства,. Здесь рассматриваются те свойства оптических волокон, .оторые наиболее важны при использовании их в качестве чувствительного элемента. А точнее, исследуется характер изменения фазы распространяющегося по волокну света - изменения под влиянием механического давления, температуры, магнитного и электрического поля. Кроме того, рассматриваются характеристики, связанные с радиоактивным облучением, характеристики рамановского и бриллю-эновского рассеяния.

Как уже отмечалось выше, изменение фазы р/, являющееся объектом измерения при использовании волоконно-оптического датчика интерференционного типа, обнаруживается как изменение интенсивности интерференции. Следовательно, для определения чувствительности волоконно-оптического датчика к приложенному давлению, температуре и другим воздействиям необходимо знать изменение фазы р/ в зависимости от этих величин. Обозначим фазу света сенсорного волокна гз. При небольшой относительной разнице коэффициентов преломления в волокне

1))=р/«Ы, (2.18)

где п - коэффициент преломления сердечника.

Тогда относительное изменение фазы под влиянием объекта измерения (чувствительность)

Ail3/il3= Д / + А/гМ. (2,19)

Для измерения магнитного поля можно использовать способ на основе эффекта Фарадея - вращения плоскости поляризации под влиянием магнитного поля, но поскольку постоянная Верде (удельное магнитное вращение) для стекла очень мала, этот способ затруднительно применять для измерения слабых магнитных полей. В этом случае оптическое волокно покрывается магнитострикционным материалом, например никелем или пермаллоем, и используется способ измерения на основе деформации волокна в магнитном поле. Для измерения электриче-

ского ПОЛЯ в качестве материала покрытия служит пьезоэлект-рик, например PVF2. Здесь, как и в предыдущем случае, используется эффект деформации оптического волокна под влиянием поля. Таким образом, по формуле (2.19) можно сделать определенные предположения относительно чувствительности датчика при измерениях давления, температуры, магнитного, электрического поля и т. д.

Зависимость изменения фазы от степени деформации волокна. Изменение коэффициента преломления стекла, исходя из формулы (2.19), выражается как

±() АТ+, (2.20)

где первый член учитывает изменение плотности стекла, второй член - эффект фотоупругости, обусловленный деформацией волокна, а именно удлинением или сокращением вследствие давления или температуры. Для кварцевого стекла

= 0,68-10-5 °с-1.

(2.21)

Изменение коэффициента преломления бл, вносимое эффектом фотоупругости, можно выразить следующей формулой с использованием коэффициентов Поккельса р,:

(Puei + pi2e2 + Pi2ez),

(2.22)

где 8; и 82 - относительная деформация в поперечном сечении, а 8г - вдоль оси волокна, причем

8г = А /; (2.23)

61 = 62=-V8. (2.24)

Символ V обозначает здесь отношение Пуассона.

Воспользовавшись формулами (2.23) и (2.24), можно выве-

бл =

•[Pi2 -v(pu + pi2)]e.

(2.25)

ПриА, = 0,546 мкм для кварцевого стекла л=1,46; ри = 0,121; Pi2 = 0,270, откуда v = 0,164. Если теперь выражения (2.20) и (2.23) подставить в формулу (2.19), то получим

= { - V (ри + Р12)]} е. + (-) AT. (2.26)

Таким образом, чтобы вычислить чувствительность волоконного датчика, необходимо определить деформацию вдоль волокна, обусловленную давлением, температурой и другими воз-

Рис. 2.16. Оптическое волокно под действием равномерного давления

действиями. Зададимся зависимостью между продольной деформацией, давлением и температурным изменением АГ. Предположим для простоты, что давление Р на волокно с трехслойной конструкцией (рис. 2.16) равномерно и, кроме того, действует изменение температуры AT. Известно распределение напряжений внутри соосных цилиндров:

(2.27)

где индексы г=1, t = 2 и t = 3 обозначают данные соответственно для сердечника, оболочки и внешнего покрытия, а Л;, Bi и d - постоянные.

Напряжение внутри сердечника конечно и поэтому определяется при S,=0. Кроме того, между напряжением (а) и деформацией (8), а также между деформацией (8) и смещением {и) существуют следующие зависимости:

= L[(T, v(ae+a,)] + aAr;

= = [ag-v (а, + Or)] + аАГ; г Е

(2.28)

8, =

.[ ст,-v(a,+ о)] + аАТ,

дг Е

где модуль Юнга; а-коэффициент теплового линейного расширения; для кварцевого стекла £ = 7750 кг/мм, а= = 5,4. 10- К-.

Постоянные Л, S и С определяются, исходя из нижеприведенных условий для напряжения и смещения:

а" (а) = af (а); «<"(а) = uf (а) при г = а;

а<2 (Ь) = а?\Ь)- и? (Ь) = (Ь) при г = Ь;

оГ (с)=-Р при г = с;

2я а 2я ft 2л с

(2.29) (2.30) (2.31)

(2.32)

ul = и\ = и

(2).

О Ь

(2.33) 45