2.2. Потери на стыках оптических волокон

На затухание смонтированного участка помимо собственного затухания в ОВ существенное влияние оказывает качество стыков, т. е. разъемных и не­разъемных соединений, потери на которых обусловлены:

• различием параметров (внутренние),

• неточностью юстировки.

Основными причинами потерь являются различия показателей преломле­ния сердцевин соединяемых ОВ, их числовых апертур и диаметров сердцевин (многомодовые) или диаметров модовых полей (одномодовые).

Рис. 2.2. Соединение ОВ с разными значениями показателей преломления сердцевин

Потери из-за различия показателей преломления сердцевин являются следствием френелевского отражения на границе раздела двух сред с разными показателями преломления (рис. 2.2).

Для волокон со ступенчатым профилем показателя преломления при от­сутствии зазора между ОВ потери, дБ:

, (2.10)

где n₁ и п₂ - показатели преломления волокон.

Рис. 2.3. Соединение ОВ с разными числовыми апертурами

Если излучение переходит из ОВ1, имеющего числовую апертуру NA₁, в ОВ2 с числовой апертурой NA₂, которая удовлетворяет условию (NA₁ > NA₂), то часть излучения из ОВ1 выйдет в оболочку ОВ2 и там рассеется (рис. 2.3). В этом случае при отсутствии зазора между ОВ потери, дБ:

(2.11)

Потери при неодинаковых диаметрах сердцевин многомодовых ОВ или неодинаковых диаметрах модовых полей одномодовых ОВ (рис. 2.4) возникают при переходе из ОВ1 с большим диаметром в ОВ2 с меньшим диаметром:

(2.12)

Следует отметить, что рассмотренные потери (кроме потерь из-за разли­чия показателей преломления) зависят от направления распространения света. Потери же из-за различия показателей преломления в первом приближении не зависят от направления распространения света.

Рис. 2.4. Соединение ОВ с разными диаметрами сердцевин (модовых полей)

В соответствии с рек. G651 числовая апертура градиентных многомодовых ОВ должна удовлетворять условию NA = 0,2±0,015, а диаметр сердцевины d_с = 50±3 мкм. Расчеты по (2.11) и (2.12) показывают, что максимальные потери в этом случае могут достигать 1 и 1,3 дБ соответственно.

Для одномодовых ОВ со смещенной дисперсией в соответствии с рек. G653, предназначенных для работы на длине волны 1,55 мкм, диаметр модового поля должен удовлетворять условию D_мп = 8,4±0,5 мкм, а максимальные по­тери, рассчитанные по (2.12), могут достигать 1 дБ.

Реальные отклонения указанных параметров, которые обеспечивают лучшие производители волокон, намного меньше рекомендованных G651-G654. Это обстоятельство, а также группирование сращиваемых ОВ позволяют сваривать ОВ 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, проявляются в разъемных и неразъемных соединениях. Потери в разъ­емных соединениях являются следствием несовершенства, как самой конструк­ции соединителя, так и процесса оконцовывания ОВ. 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 ОВ. В разъемных соединениях эти потери обычно являются основными.

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

Рис. 2.5. Радиальное смещение осей ОВ

Радиальное смещение осей соединяемых ОВ приводит к тому, что часть энергии из ОВ1 не попадает в ОВ2 (рис. 2.5).

Рис. 2.6. Угловое смешение осей ОВ

Рис. 2.7. Осевое смещение торцов ОВ

Потери не зависят от направления распространения света при малых смещениях h << d и составляют, дБ:

(2.13)

Потери из-за углового смещения осей сердцевин соединяемых ОВ не за­висят от направления распространения света (рис. 2.6) при малых угловых сме­щениях α << 2NA и составляют, дБ:

(2.14)

Осевое смещение торцов соединяемых ОВ имеет место только в разъем­ных соединениях (рис. 2.7), при этом потери, дБ:

a = 17,4NA/d, (2.15)

где h — осевое смешение.

Приведенные формулы не являются точными и не учитывают всех физи­ческих явлений, происходящих на стыке ОВ, но они позволяют примерно оце­нить необходимые точности юстировки при сварке и изготовлении разъемов.