Elektronika 2009-11.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych

Parametry materiałowe szklanego włókna
optycznego
Materiały składowe szkła wyjściowego na włókno optyczne
determinują podstawowe właściwości szkła wieloskładnikowego.
Parametrami są tu: zawartość i układ podstawowych
tlenków (fluorków) szkłotwórczych, zawartość tlenków (fluorków)
modyfikatorów, poziomy domieszkowania szkła aktywatorami,
skład chemiczny, dobór szkieł do układu płaszczrdzeń,
parametry różnicowe układu szkieł rdzeń-płaszcz, itp.
Fundamentalne znaczenie dla właściwości włókna szklanego
mają parametry różnicowe szkieł składowych. Przede wszystkim
szkła muszą być dobrane pod względem refrakcyjnym
oraz mechaniczno-termicznym.
Geometria szklanego włókna optycznego
Geometria włókna optycznego obejmuje takie parametry jak
średnicę rdzenia i płaszcza, średnice innych obszarów pomocniczych
(makro- i mikrootworów, obszarów szkła naprężającego,
itp.) w światłowodzie. Kształt rdzenia na ogół cylindryczny może
być także eliptyczny lub złożony kompozytowy jednomodowowielomodowy
jak w światłowodach aktywnych.
Refrakcja szklanego włókna optycznego
i parametry optyczne
Parametry optyczne włókna szklanego obejmują: aperturę numeryczną,
częstotliwość znormalizowaną, długość fali odcięcia,
refrakcje bazowe (piedestałowe) i przyrostowe, refrakcje
różnicowe bezwzględne i względne, efektywną średnicę modową
rdzenia, maksymalną dopuszczalną gęstość mocy
optycznej, przezroczystość spektralną, podatność na zjawiska
nieliniowe, itp.
Dyspersja szklanego włókna optycznego
i parametry czasowe
Dyspersja szklanego włókna optycznego posiada kilka różnych
składników: międzymodowy, wewnątrzmodowy, polaryzacyjny,
materiałowy i falowodowy, chromatyczny. Część ze składników
podlega kompensacji wzajemnej lub z efektami nieliniowymi. Parametrami
dyspersyjnymi włókna szklanego są: długość fali zerowej
dyspersji chromatycznej, przesunięcie dyspersji, spłaszczenie
charakterystyki dyspersji, pasmo dyspersji spłaszczonej,
rodzaj spłaszczenia - jednopunktowe, dwupunktowe, wielopunktowe;
pochodne refrakcji grupowej. Parametrami dyspersyjnymi
wyższego rzędu są: wyższe pochodne refrakcji
grupowej, dyspersja profilu refrakcyjnego, itp. Parametrami czasowymi
są dyspersja w dziedzinie czasu, rozszerzenie (lub inne
zniekształcenie) impulsu propagowanego w światłowodzie, itp.
Tłumienie szklanego włókna optycznego
Charakterystyka spektralna transmisji włókna optycznego, jej
szczegółowy kształt dla poszczególnych obszarów widma
transmisji decyduje o możliwościach zastosowania światłowodu
w systemie WDM lub do celów instrumentalnych.
Parametry termiczne i mechaniczne szklanego
włókna optycznego
Parametry mechaniczne i termiczne szklanego włókna
optycznego to: liniowa rozszerzalność termiczna, termiczna
dyspersja refrakcji, dylatacyjna zmiana długości drogi optycznej
we włóknie szklanym, odporność na szok termiczny dla
włókien aktywnych, dopasowanie termiczno-mechaniczne dla
układu szkieł rdzeń-płaszcz, itp.
Wrażliwość środowiskowa szklanego włókna
optycznego
Wrażliwość środowiskowa obejmuje między innymi takie parametry
jak: odporność na narażenia chemiczne włókna
optycznego w pokryciu indywidualnym i obudowie, odporność
na zaburzenia elektromagnetyczne transmisji optycznej, odporność
na mikrozgięcia i naprężenia mechaniczne, zmiany
termiczne, promieniowanie jonizujące, itp.
Parametry szklanego włókna optycznego
kablowanego
W zastosowaniach praktycznych szklane włókno optyczne jedynie
relatywnie rzadko występuje w postaci odsłoniętej. Takie
przypadki dotyczą np. czujników światłowodowych w których
warunkiem koniecznym procesu pomiarowego jest oddziaływanie
czynnika zewnętrznego na powierzchnię szkła.
Zazwyczaj włókno szklane znajduje się wewnątrz struktury
kabla o odpowiedniej do zastosowania konstrukcji. Bezpośrednie
zabezpieczenie włókna jest np. miękko-twarde.
W tabeli zebrano podstawowe parametry syntetycznego
ultraniskostratnego, krzemionkowego szkła światłowodowego
dostępnego w postaci preformy oraz włókien optycznych wyciąganych
z takiego szkła światłowodowego niedomieszkowanego
i słabo domieszkowanego. W niektórych miejscach
tabeli zawarto porównanie odpowiednich parametrów szkieł
i światłowodów SiO 2 oraz ZBLAN. Wydawałoby się zwykłe
ukształtowanie szkła światłowodowego we włókno optyczne
z poprzecznym gradientem refrakcji (bez gradientu wzdłużnego)
nie może aż tak komplikować i wzbogacać właściwości
takiej struktury szkła. Z tabeli widać, że to nie jest prawda.
Szklane światłowodowe włókno optyczne jest elementem
optycznym o bardzo skomplikowanych właściwościach, o dziesiątkach
powiązanych ze sobą parametrach optycznych, mechanicznych,
termicznych, wrażliwościowych, itp. A główne
parametry włókna szklanego są zdeterminowane przez wyjściowe
szkła światłowodowe (co najmniej dwa n 1 i n 2 lub wbudowany
gradient refrakcji n(r)) wprowadzający obszar
ograniczenia refrakcyjnego (energetycznego) dla fali oraz
przez strukturę geometryczną wprowadzającą obszar ograniczenia
objętościowego r max = a, a ≈ λ. Współmierność tych
ograniczeń w szkle światłowodowym z długością transmitowanej
fali optycznej prowadzi do zjawisk kwantowych - nieobecnych
w takiej postaci w izorefrakcyjnym, izotropowym
optycznym szkle objętościowym.
Podsumowanie
Współczesne światłowody włóknowe podlegają ciągłemu
różnicowaniu rodzajów, optymalizowanych do zastosowania.
Światłowody telekomunikacyjne są poddane ścisłemu rygorowi
przemysłowego procesu normalizacji. Wprowadzenie nowego
rodzaju światłowodu wymaga uzgodnień normalizacyjnych
w szerokiej skali. Światłowody instrumentalne nie
podlegają takiemu rygorowi. Rodzajów takich światłowodów
jest coraz więcej. Wykonywane są ze szkieł tlenkowych, halogenkowych,
chalkogenkowych, mieszanych, dewitryfikatów,
szkieł fotonicznych, metaszkieł. Obecnie w technice trwa dalszy
silny proces dywersyfikacji rodzajów szkieł na światłowody
instrumentalne oraz rodzajów tych światłowodów.
124 ELEKTRONIKA 11/2009