Потери при изгибе оптоволокна

1.

Потери при изгибе
оптоволокна

2.

• При изгибе оптоволокна появляются дополнительные потери энергии. Эти
потери быстро растут после достижения определенного критического
радиуса изгиба. Этот критический радиус может быть очень мал (всего
несколько миллиметров) у волокон с высокой числовой апертурой, тогда как
допустимый радиус изгиба гораздо больше (часто десятки сантиметров) для
волокон в одномодовом режиме с большой площадью поперечной моды.
• В большинстве случаев потери при изгибе сильно возрастают при больших
длинах волн. Зависимость потерь от длины волны сильно определяется
наличием интерференции света, отраженного от оболочки/ границы
покрытия и/или от внешней поверхности покрытия. Увеличение потерь при
изгибе волокна на больших длинах волн ограничивает
диапазон
пропускания одномодовых волокон. Например, волокно с одномодовым
режимом с длиной волны отсечки 800нм, которое можно использовать в
диапазоне до 1 мкм, он не может быть использовано для 1500 нм, т. к. потери
при изгибе на этой длине волны будут очень большими.

3.

4.

• Известно, что даже при отсутствии макроскопических изгибов волокна, все равно могут
быть потери, вызванные микроизгибами, т. е. микроскопическими неровностями
(нарушениями структуры) в волокне, которые объясняются несовершенством технологии
изготовления.
• В многомодовых волокнах критический радиус изгиба, как правило, меньше для
поперечных мод более высокого порядка. При правильном определении радиуса изгиба
можно внести значительные потери для мод более высоких порядков, не затрагивая моды
низших порядков. Это свойство часто используется при конструировании волоконных
усилителей и волоконных лазеров большой мощности, где может быть достигнута большая
эффективная площадь поперечной моды, когда используется волокно с множеством
поперечных мод.
• Для оценки величины потерь при изгибе используется метод эквивалентного индекса.
Основная идея этого метода состоит в вычислении распределения мод для эффективного
индекса, который показывает темп изменения длины пути в разных поперечных точках
выходной апертуры. Он удобен и, как правило, хорошо аппроксимируется, однако
предусматривается, что это не отраженный свет, например, от поверхности внешней
оболочки обратно в ядро волокна. Более сложные методы включают такие эффекты, и таким
образом выявляют полную зависимость от длины волны, однако они сложнее в
использовании.
• Величина потерь при изгибе в некоторой степени зависит от поляризации излучения. Это
используется, например, для получения стабильного линейно-поляризованного излучения в
волоконных лазерах.
• Замечено, что изгибы являются причиной не только потерь, но и уменьшения эффективной
площади поперечной моды. Это особенно заметно для волокон со ступенчатым профилем,
которые имеют большую площадь поперечной моды. Также изгибы вызывают
двулучепреломление.
• Фотоннокристаллические волокна могут иметь низкие потери при изгибе, даже превышая
длину волны отсечки одномодовых волокон. Поэтому они могут работать в «бесконечно

5.

Числовая апертура оптоволокна
• Числовая апертура - синус максимального угла падения луча
света для оптических приборов, или же синус максимального
входного угла волновода или оптоволокна.
Есть два различных значения термина «числовая апертура» (ЧА),
используемых в контекстах волоконной оптики и оптики
изображений.
Числовая апертура оптического волокна или волновода

6.

• В лучевой (геометрической) оптике луч можно рассматривать как световой
пучок, который распространяется в воздухе и попадает в сердцевину
(перпендикулярно разрезу) волокна со ступенчатым профилем показателя
преломления с большой площадью поперечной моды. Числовая апертура
(ЧА) волокна - это синус максимального угла падения луча по отношению к
оси
волокна,
при
котором
свет
входит
в
сердцевину
и
далее
распространяется по волокну. ЧА определяется как разница показателей
преломления сердцевины и оболочки, которое может быть определено также
из условия, что луч вводится в волокно под углом полного внутреннего
отражения. Здесь, n0 -показатель преломления среды вокруг волокна,
который близок к 1-в случае воздух.

7.

• Аналогичным образом, ЧА также может быть определена и для других видов волноводов.
• Для описания распространения света в волокнах с малой площадью сердцевины (например, для одномодового волокна) необходимо
рассматривать волновую природу света. Геометрическая оптика не может быть использована для описания распространения света в
таких волокнах. Однако приведенное выше уравнение все еще может быть использовано для расчета ЧА через показатели
преломления. Сложнее расчет ЧА для непрямоугольного (неступенчатого) профиля показателя преломления.
• Высокой числовой апертуре соответствует большая расходимость пучка на выходе из оптического волокна, но также эта
расходимость излучения зависит от диаметра сердцевины. Для волокон с профилем показателя преломления, отличным от
ступенчатого (то есть в таких, где сердцевина не имеет постоянного показателя преломления), эффективная числовая апертура
может быть определена на основе эквивалентного ступенчатого профиля показателя преломления. Иначе, ЧА можно вычислить,
зная максимальный показатель преломления в сердцевине.
• - Уменьшается чувствительность свойств волокна к случайным колебаниям показателя преломления (для волокон с большой
площадью моды с низкой ЧА это может быть проблемой).
• - Более высокая концентрация примеси (например германия), как требуется для создания большой разницы показателей
преломления, может увеличить потери за счет рассеяния.

8.

• Для одномодового волокна ЧА, как правило, порядка 0.1, но может варьироваться примерно от 0.05 до
0.4. Многомодовые волокна обычно имеют более высокую числовую апертуру, например, 0.3. Очень
высокие значения возможны для фотоннокристаллических волокон.
• Для волокон с большой ЧА:
• - Для заданной площади моды, волокна с более высокой ЧА лучше проводят свет, т.к. они в целом
поддерживают большее число мод.
• - В одномодовых волокнах меньше диаметр сердцевины волокна. Соответствующая площадь моды
меньше, а расхождение пучка на выходе из волокна больше. Нелинейные свойства волокна,
соответственно, больше. С другой стороны, одномодовые волокна с большой площадью моды должны
иметь низкую ЧА.
• - Уменьшаются потери на изгибах волокна; волокно может быть более сильно согнуто прежде, чем
потери изгиба становятся существенными.