Потери в стыках ВС

На вносимое затухание смонтированного участка помимо собственного затухания в ВС существенное влияние оказывает качество стыков, т.е. разъемных и неразъемных (сварки, склейки) соединений. Потери в стыках ВС можно разделить на:

¨ потери, обусловленные различием параметров соединяемых ВС (внутренние потери);

¨ потери, обусловленные неточностью юстировки соединяемых ВС.

Потери из-за различия параметров ВС

Эти потери невозможно уменьшить при заделке волокон в соединитель или юстировкой перед сваркой. Основными причинами потерь являются различия показателей преломления сердцевин соединяемых ВС, их числовых апертур и диаметров сердцевин (для многомодовых ВС) или диаметров модовых полей (для одномодовых ВС).

¨ Неодинаковые показатели преломления сердцевины ВС

Рис.4.3. Соединение ВС с разными показателями преломления сердцевин

Потери из-за различия показателей преломления сердцевин являются следствием френелевского отражения на границе раздела двух сред с разными показателями преломления. Для волокон со ступенчатым профилем при отсутствии зазора между ВС потери составят, дБ

(4.7)

где n ₁ и n ₂ - показатели преломления волокон.

¨ Неодинаковые числовые апертуры соединяемых многомодовых ВС

Рис.4.4. Соединение ВС с разными числовыми апертурами

Если излучение переходит из ВС1, имеющего числовую апертуру NA 1, в ВС2 с числовой апертурой NA 2, которая удовлетворяет условию (), то часть излучения из ВС1 выйдет в оболочку ВС2 и там рассеется. В этом случае при отсутствии зазора между ВС потери составят

(4.8)

¨ Неодинаковые диаметры сердцевин многомодовых ВС или неодинаковые диаметры модовых полей одномодовых ВС

Рис.4.5. Соединение ВС с разными диаметрами сердцевин (модовых полей)

Потери возникают при переходе из ВС1 с большим диаметром в ВС2 с меньшим диаметром: d₁ d₂

(4.9)

Рассмотренные потери (кроме потерь из-за различия показателей преломления) зависят от направления распространения света. Потери из-за различия показателей преломления в первом приближении не зависят от направления распространения света.

В соответствии с рекомендациями G651 [5] числовая апертура градиентных многомодовых ВС должна удовлетворять условию NA = 0.2±0.015, а диаметр сердцевины d = 50±3 мкм. Расчеты по (4.8) и (4.9) показывают, что максимальные потери могут достигать 1 и 1.3 дБ соответственно. Для одномодовых ВС со смещенной дисперсией в соответствии с рекомендациями G653, предназначенных для работы на длине волны 1.55 мкм диаметр модового поля должен удовлетворять условию d = 8.4±0.5 мкм. Максимальные потери, рассчитанные по выражению (3.9), могут достигать 1 дБ. Реальные отклонения указанных параметров, которые обеспечивают лучшие производители волокон, намного меньше рекомендаций G651-G654 [5]. Это обстоятельство, а также группирование сращиваемых ВС позволяет сваривать ВС с потерями порядка 0.01 дБ и изготавливать оптические разъемные соединители с потерями порядка 0.2-0.5 дБ.

Потери, обусловленные погрешностями юстировки и конструкции соединителей

Эти потери проявляются в разъемных и неразъемных соединениях. Потери в разъемных соединениях являются следствием несовершенства как самой конструкции соединителя, так и процесса оконцовывания ВС. Потери в разъемных соединениях зависят от неточности юстировки волокон при их заделке в наконечник соединителя (радиальное, угловое и осевое смещение) и некачественной обработки (полировки) торцов соединяемых ВС. В разъемных соединениях эти потери обычно являются основными.

Потери в неразъемных соединениях определяются неточностью юстировки ВС в сварочном аппарате перед сваркой. Однако современные сварочные аппараты имеют автоматическую юстировку и автоматическое управление процессом сварки ВС, обеспечивающее минимальные потери. Вследствие этого потери в сварке в основном определяются различием параметров свариваемых ВС.

¨ Радиальное смещение осей соединяемых ВС

Рис. 4.6. Радиальное смещение осей ВС

Такое смещение приведет к тому, что часть энергии из ВС1 не попадает в ВС2. Потери не зависят от направления распространения света и при малых смещениях они составляют a h/d

(4.10)

¨ Угловое смещение осей сердцевин соединяемых ВС

Рис. 4.7. Угловое смещение осей ВС

Эти потери также не зависят от направления распространения света и при малых угловых смещениях они составляют:

(4.11)

¨ Осевое смещение торцов соединяемых ВС

Рис. 4.8. Осевое смещение торцов ВС

Осевое смещение торцов может иметь место только в разъемных соединениях ВС. Потери составляют:

(4.12)

где h - осевое смещение.

Приведенные формулы не являются точными и не учитывают всех физических явлений, происходящих на стыке ВС, но они позволяют примерно оценить необходимую точность юстировки при сварке и точность изготовления оптических разъемов. Задаваясь потерями 0.2 дБ, определим по (4.10)-(4.12) требования к юстировке градиентных многомодовых ВС, изготовленных в соответствии с требованиями G651-G654 [5]. Максимально допустимые радиальное, осевое и угловое смещения составят 2.3, 3 мкм и 1° соответственно.