Propriétés géométriques et optiques des fibres optiques
Propriétés géométriques
Les caractéristiques géométriques defibres optiquessont étroitement liés à la construction et aux connexions à faibles-pertes. Ces caractéristiques géométriques incluent le diamètre du noyau, les dimensions de la gaine, la concentricité des fibres et la non-circularité.
(1) Diamètre du noyau : Le diamètre du noyau est une exigence pour les fibres optiques multimodes. L'ITU-T spécifie le diamètre du cœur des fibres optiques multimodes à (50 ± 3) μm.
(2) Diamètre extérieur : Le diamètre extérieur de la fibre optique fait référence au diamètre de la fibre nue. Qu'il s'agisse d'une fibre multimode ou monomode-, l'ITU-T spécifie le diamètre extérieur des fibres optiques utilisées pour la communication comme (125 + 3) μm.
(3) Concentricité de la fibre et hors-de-circularité : la concentricité est le rapport entre la distance entre le centre du cœur et le centre de la gaine et le diamètre du cœur. Le hors-de-circularité inclut le hors-de-circularité du noyau et de la gaine, et peut être exprimé par la formule suivante :
Dans la formule, Dmaximumet Dminsont les diamètres maximum et minimum du noyau (gaine) ; Dcoest le diamètre standard du noyau (gaine).
L'ITU-T précise que : l'erreur de concentricité de la fibre multimode doit être inférieure à 6 % ; la non--circularité de base doit être inférieure à 6 % (y compris le mode simple- ); la non-circularité du revêtement doit être inférieure à 2 % ; et l'erreur de concentricité de la fibre monomode-doit être de 1 μm.
Propriétés optiques
Les propriétés optiques des fibres optiques sont un facteur crucial déterminant leurs performances de transmission.
(1) Distribution de l'indice de réfraction : la distribution de l'indice de réfraction des fibres multimodes détermine la bande passante de la fibre et la perte de connexion ; la distribution de l'indice de réfraction des fibres monomodes-détermine la sélection de la longueur d'onde de fonctionnement. La formule générale de l'indice de réfraction des fibres optiques est :
Dans la formule, est la distance par rapport à l'axe de la fibre ; n(0) est l'indice de réfraction du cœur de la fibre lorsque r=0 ; g est l'indice de distribution de l'indice de réfraction, qui a différentes valeurs entraînant différentes distributions de l'indice de réfraction, comme le montre la figure 2-2 ; est le rayon du coeur de la fibre (μm) ; et △ est la différence relative d'indice de réfraction.
Indice de réfraction central : lorsque r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)g]1/2
Indice de réfraction du revêtement : Quand r Supérieur ou égal à ,n=n(r)=n(0)[1-2△]1/2
(2) L'ouverture numérique (NA) de la fibre optique est étroitement liée à l'efficacité du couplage de la source lumineuse, à la sensibilité à la perte de fibre due à la microcourbure et à la bande passante. Une ouverture numérique plus grande facilite le couplage, réduit la sensibilité aux microcourbures et aboutit à une bande passante plus étroite. L'ouverture numérique théorique maximale est définie comme suit :
Dans la formule, n est l'indice de réfraction du noyau uniforme de la fibre à indice progressif - (l'indice de réfraction n (0) du centre du noyau de la fibre à indice gradué - ); ng est l'indice de réfraction de la gaine uniforme.
(3) Diamètre du champ de mode Le diamètre du champ de mode peut être défini par la fonction de transfert du champ de mode fondamental Ea, c'est-à-dire que la largeur entre deux points 1/é sur la courbe de la relation entre la fonction de transfert du champ de mode fondamental Ea et le radial r est le diamètre du champ de mode.
Estimation du diamètre du champ de moule : 2S.=2入/(πn√△)
Dans la fibre monomode-, le diamètre du champ de mode est utilisé à la place du diamètre du cœur. La raison en est que les fibres ayant le même diamètre de cœur auront des distributions de champ de mode différentes sous différentes distributions d'indice de réfraction, et les performances de transmission de la fibre dépendent de la distribution du champ de mode.
Pour la construction, si le diamètre du champ de mode ne correspond pas dans la connexion par fibre optique, un écart important augmentera la perte de connexion. ITU-T spécifie le diamètre du champ de mode comme (9-10) ± 1 μm.
(4) Longueur d'onde de coupure (condition de transmission monomode-) La longueur d'onde de coupure est la condition permettant à la fibre monomode-de garantir une transmission monomode-. Au-delà de cette longueur d'onde, le mode LP du second-ordre ne se propage plus. La longueur d'onde de coupure diffère des autres paramètres en ce sens qu'elle n'est pas constante mais change avec la longueur. Cela nécessite que la longueur d'onde de coupure de la fibre monomode- soit inférieure à la longueur d'onde de fonctionnement du système de communication optique. Actuellement, la longueur d'onde de coupure de la fibre monomode-est de 1,10 à 1,28 µm, déterminée par la différence relative d'indice de réfraction Δ et la forme de la section transversale-.
Effets non linéaires des fibres optiques
Dans les systèmes de communication à fibre optique à multiplexage par répartition en longueur d'onde dense (DWDM) d'aujourd'hui, à haute-capacité et-vitesse élevée, avec des amplificateurs à fibre dopée à l'erbium-, les fibres optiques transmettent plusieurs longueurs d'onde et une puissance élevée. Cette puissance optique élevée peut provoquer divers effets non linéaires dus à l’interaction entre le signal et la fibre. Si ces effets non linéaires ne sont pas correctement supprimés, ils peuvent avoir un impact important sur les performances du système et limiter la distance régénérable du répéteur. La linéarité ou la non-linéarité fait référence aux propriétés de la lumière dans le support de transmission, et non aux propriétés de la lumière elle-même. Or, la présence d'un champ optique altère les propriétés du milieu. Lorsqu'un milieu est soumis à un champ optique puissant, les électrons des atomes ou des molécules qui composent le milieu se déplacent ou vibrent, provoquant une polarisation. Les ondes dipolaires apparaissent dans le milieu polarisé et ces dipôles rayonnent des ondes électromagnétiques de même fréquence, qui se superposent au champ incident d'origine, devenant ainsi le champ optique total dans le milieu. Cela démontre que les changements dans les propriétés du milieu affectent à leur tour le champ optique.
Les effets non linéaires des fibres optiques peuvent être divisés en deux catégories : la diffusion stimulée et la perturbation de l'indice de réfraction.
◇La diffusion stimulée se produit dans les systèmes modulés où les signaux optiques interagissent avec les ondes acoustiques ou les vibrations du système dans les fibres optiques ; c'est-à-dire que le champ optique transfère une certaine énergie au milieu non linéaire. La diffusion Raman stimulée et la diffusion Brillouin stimulée appartiennent à cette catégorie.
La diffusion Raman stimulée (SRS) est provoquée par la modulation (interaction) des vibrations moléculaires du milieu sur la lumière incidente (appelée lumière de pompe), entraînant la diffusion de la lumière incidente. Soit la fréquence de la lumière incidente et la fréquence des vibrations moléculaires du milieu ν, alors les fréquences de la lumière diffusée sont ∞=∞∞ et ν=∞, +∞. Ce phénomène est appelé diffusion Raman stimulée. La lumière diffusée avec une fréquence de ∞ est appelée onde de Stokes ; la lumière diffusée avec une fréquence de ν est appelée une onde anti-Stokes.
◇ Sous une faible puissance optique, l'indice de réfraction de la fibre de verre de silice reste constant en raison de la perturbation de l'indice de réfraction. Cependant, lors de l'utilisation d'un amplificateur à fibre lestée pour obtenir une puissance optique élevée, la modification de l'intensité du signal transmis peut induire une modification de l'indice de réfraction de la fibre. Trois effets non linéaires provoqués par la perturbation de l'indice de réfraction sont l'auto-modulation de phase (SPM), la modulation de phase croisée-(CPM) et le mélange à quatre-ondes.
L'auto-modulation de phase (SPM) fait référence au phénomène dans lequel la phase de l'impulsion optique change pendant la transmission, conduisant à un élargissement spectral de l'impulsion. Le SPM est étroitement lié à l'autofocalisation ; s'il est grave, dans les systèmes de multiplexage par répartition en longueur d'onde dense (DWDM), l'élargissement spectral peut se chevaucher dans les canaux adjacents.
Propriétés mécaniques et thermiques des fibres optiques
Propriétés mécaniques des fibres optiques
Les propriétés mécaniques des fibres optiques sont cruciales. Les fibres optiques de quartz utilisées dans la communication sont de minces filaments de verre d'un diamètre extérieur d'environ 125 µm. Le verre est un matériau très dur, non-ductile et cassant. Sa limite de résistance est déterminée par la force de liaison des liaisons Si-O au sein de sa structure. Théoriquement, la contrainte nécessaire pour rompre les liaisons atomiques Si-O est estimée entre 19 600 et 24 500 N/mm². Par conséquent, une fibre optique d'un diamètre extérieur d'environ 125 μm peut résister à une résistance à la traction de 294 N. Cependant, des fissures existent inévitablement à la surface ou à l'intérieur des fibres optiques réelles. Lorsque la fibre est soumise à une force externe, même une très petite microfissure peut se dilater et se propager, provoquant une rupture catastrophique, ce qui réduit considérablement la résistance à la rupture de la fibre (environ 1/4 de la valeur théorique). Par conséquent, du développement à l'application à grande échelle des fibres optiques, des efforts, des ressources et des financements importants ont été investis pour surmonter ces défis. Actuellement, les départements de recherche, de fabrication, de câblage et de construction étudient plus en détail comment améliorer la résistance à la traction et la durée de vie des fibres optiques.
La résistance à la traction des fibres optiques disponibles dans le commerce ne doit pas être inférieure à 2,35 N de force de traction. Actuellement, la résistance à la traction des fibres optiques disponibles dans le commerce atteint 0,5 % de déformation, soit 432 g de force de traction. Les fibres optiques utilisées au niveau national pour des projets d'ingénierie ont généralement une résistance à la traction supérieure à 400 g de force de traction. Les fibres optiques étrangères de meilleure qualité ont des résistances à la traction supérieures à 700 g de force de traction, et les fibres utilisées pour les câbles sous-marins nécessitent des résistances encore plus élevées. Ces exigences en matière de résistance à la traction des fibres optiques sont satisfaites grâce à des méthodes de criblage lors du processus de fabrication des fibres.
La durée de vie d’une fibre optique est communément appelée durée de vie. Du point de vue des performances mécaniques, la durée de vie fait référence à sa durée de vie à la rupture. Dans la fabrication et l'ingénierie des fibres et câbles optiques, une durée de vie de 20 ans est généralement prévue. Cependant, la durée de vie réelle des fibres optiques n'est pas entièrement cohérente en raison de l'influence de l'environnement d'exploitation (comme la température, l'humidité et la fatigue statique et dynamique). Les estimations actuelles suggèrent que les fibres optiques conçues pour une durée de vie de 20 ans pourraient en réalité durer de 30 à 40 ans.
Caractéristiques de température des fibres optiques
Les caractéristiques de température de la fibre optique font référence à l'impact des températures élevées et basses sur la perte de la fibre, entraînant généralement une perte accrue. La perte de fibres augmente dans des conditions de températures élevées et basses, car les matériaux utilisés dans le revêtement et le gainage des fibres sont des résines organiques et des plastiques, qui ont des coefficients de contraction et de dilatation beaucoup plus élevés que le quartz. Par conséquent, à basse température, la fibre subit une force de compression axiale, provoquant une micro-courbure, tandis qu'à haute température, elle subit une force d'allongement axial, générant une contrainte et entraînant une perte accrue. Les caractéristiques de température de la fibre optique montrent que lorsque la température diminue, la perte de fibre augmente également. Lorsque la température descend à environ -55 degrés, la perte augmente considérablement, rendant le système inutilisable. Actuellement, les caractéristiques à basse température des fibres optiques ont atteint un bon niveau ; généralement, à -20 degrés, l'augmentation de la perte est inférieure à 0,1 dB/km, et pour les fibres de haute qualité, elle est inférieure à 0,05 dB/km.
Les performances à basse-température des fibres optiques sont cruciales. Pour les câbles et lignes optiques aériens dans les régions du nord, de mauvaises performances à basse température - affecteront gravement la qualité de la communication. Par conséquent, lors de la fabrication des fibres optiques, il est essentiel de sélectionner les matériaux de revêtement et de gainage appropriés et d’améliorer les processus. Dans la conception technique, il est impératif de sélectionner des fibres optiques présentant d’excellentes caractéristiques.
