2.1 Виды механических воздействий

Механические воздействия могут иметь разный характер, в зависимости от того, что является их причиной.

Среди них изгибы являются наиболее распространенными и опасными. Изгибы делятся на микроизгибы и макроизгибы.

Микроизгибы возникают при производстве оптического волокна, а так же при производстве и прокладке оптического кабеля. Они вызывают увеличение потерь в кабеле. Основной причиной возникновения этих потерь является то, что при производстве кабеля волокно сдавливается недостаточно гладкими внешними покрытиями. Изгибы такого рода существуют на всём протяжении волокна и поэтому могут вносить существенные затухания [4].

Согласно [2] микроизгибы - это отклонения оси световода от прямой линии. Потери на микроизгибах оцениваются по следующей формуле [8]:

, (2.1)

где h - высота (радиус) микроизгиба; а - радиус сердцевины ОВ; 2b - диаметр ОВ по оболочке; N - число микроизгибов; Д - относительная разница коэффициентов преломления.

Вид микроизгиба представлен на рисунке 2.1.

Периоды микроизгибов - это единицы миллиметров (сантиметров), амплитуда - доли либо единицы микрометров [4].

Макроизгибы возникают при строительстве и монтаже, а так же при намотке на барабан. Потери вызваны вытеканием или излучением направляемых мод и при уменьшении радиуса кривизны изгиба до критических значений становятся недопустимо большими.

Рисунок 2.1 - Микроизгиб оптического волокна

Критический радиус изгиба волокна приближенно рассчитывается по формуле [7]:

, (2.2)

где n₁, n₂ - показатели преломления сердцевины и оболочки; л - длина волны применяемого излучения.

Таким образом, макроизгибы соотносят с некоторым определенным малым радиусом. Производитель кабеля должен указать в спецификации минимальный радиус изгиба. Сгибая ВОК сильнее, чем это допускается ограничениями на радиус изгиба, можно повредить кабель, даже порвать волокна в кабеле. Это может также вызвать существенное увеличение затухания волокна.

Потери на макроизгибах можно оценить по следующей формуле [8]:

, (2.3)

где R - радиус макроизгиба; a - радиус сердцевины волокна; л - длина волны; U - показатель степени функции, описывающей профиль коэффициента преломления:

(2.4)

где n₀ - показатель преломления в центре волокна.

Вид макроизгиба представлен на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Макроизгиб оптического волокна

Согласно [5] потери, которые возникают при изгибе оптического волокна, можно разделить на: потери при переходе от прямого волокна к изогнутому и обратно, потери непосредственно на изгибе. Потери в месте соединения прямого и изогнутого волокон объясняются смещением центра модового пятна в изогнутом волокне относительно оси волокна на некоторую величину, зависящую от радиуса изгиба, в связи с этим, моды оказываются смещёнными относительно друг друга, и мощность моды прямого участка волокна передаётся моде изогнутого волокна частично. Часть мощности, что не передалась, преобразуется в моды оболочки и теряется. Потери такого типа зависят от радиуса изгиба оптического волокна.

В изогнутом волокне периферийная часть моды распространяется со скоростью большей скорости света в среде. В связи с этим мода излучается в оболочку, и в конце концов теряется [5]. Этот вид потерь зависит как от радиуса изгиба, так и от количества витков.

Изгибы вызывают увеличение коэффициентов связи между модами, увеличивают связь мод и поля излучения, а так же изменяют модовое распределение; всё это приводит к возникновению дополнительных потерь в оптическом волокне [4].

В Карагандинском Государственном Техническом Университете были проведены эксперименты по исследованию макроизгибов оптического волокна. Эксперименты проводились с использованием: одномодвых патчкордов длиной 7,5 метров, рефлектометра Yokogawa AQT1200 OTDR, лабораторного стенда. Всё перечисленное представлено на рисунке 2.3.

Стенд, представляет собой полотно площадью 1 м² с пятью зонами, где расположены штыри для укладки патчкорда. Позволяет симулировать укладку кабеля под разными углами. Результаты измерений в зависимости от количества изгибов под прямым углом представлены в таблице 2.1.

Рисунок 2.3 - Оборудование для проведения экспериментов

Эксперименты такого типа позволяют проанализировать изгибы оптического волокна в условиях приближенных к реальным, то есть к укладке оптического кабеля внутри помещений.

Таблица 2.1 - Результаты экспериментов

При изгибе оптического волокна увеличивается эллиптичность сердцевины: в одной плоскости сердцевина сжимается, в другой растягивается.

В связи с этим возрастает поляризационно-модовая дисперсия, приводящая к различию скоростей распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих основной моды. Причиной такого роста так же является несовпадение геометрических центров сердцевины и оболочки [11].

Изменения геометрии волокна, приводящие к увеличению поляризационно-модовой дисперсии представлены на рисунке 2.4 [7].

Кроме изгибов следует выделить такой вид механического воздействия, как раздавливающая нагрузка. Данный тип нагрузки характерен для оптических кабелей, которые проложены в земле или под водой. Такой тип нагрузки оказывает влияние как на величину затухания, так и на величину поляризационно-модовой дисперсии.

Рисунок 2.4 - Причины возникновения поляризационно-модовой дисперсии в оптическом волокне

Ещё один вид нагрузки - растягивающая. Такой тип воздействия характерен для оптического кабеля, подвешенного на опорах линий электропередач либо железных дорог (в процессе эксплуатации).

Растягивающая нагрузка может возникать непосредственно при строительстве линий связи: при укладке кабеля кабелеукладчиком, при укладке в кабельную канализацию. Нагрузка такого рода возникает при начале движения кабелеукладчика, рывках тракторов, поворотах, подъёмах. Согласно [16] при затягивании в кабельную канализацию, прилагаемое усилие не должно превышать допустимого (для используемого типа кабеля) растягивающего усилия.

Длительное воздействие растягивающей нагрузки становится причиной микротрещин и обрывов оптического волокна [18].

Следует привести эксперимент по измерению относительного удлинения оптического волокна. Данный эксперимент проводился на установке компании SWISSCAB, путём создания нагрузки и удержания её в течение некоторого периода времени. За это время структура волокна стабилизируется (достигает состояния равновесия), после чего нагрузка увеличивается и удерживается снова. Зависимость, полученная по результатам экспериментов, представлена на рисунке 2.5 [18]

Рисунок 2.5 - Зависимость удлинения волокна от нагрузки кабеля

Проанализировав графики можно сказать, что удлинение волокна начинает резко увеличиваться по достижении нагрузкой значения 1100 Н, то есть, начиная с этого значения, появляется вероятность возникновения микротрещин.

В [11] описан эксперимент, направленный на изучение зависимости величины поляризационно-модовой дисперсии от относительного удлинения. В процессе эксперимента воздействию подвергался участок оптического волокна длиной 1,5 м [11]. График с результатами экспериментов представлен на рисунке 2.6 [11].

Рисунок 2.6 - График зависимости поляризационно-модовой дисперсии от относительного удлинения

Из графика видно, что значение поляризационно-модовой дисперсии с ростом величины относительного удлинения в целом увеличивается, однако чёткой зависимости не наблюдается [11].