Что происходит с сигналом, когда оптическое волокно растягивается при измерении потерь с помощью патч-корда?
При растяжении (испытании на разрыв или осевом натяжении) оптоволоконного патч-корда и мониторинге сигнала, состояние волновода внутри оптического волокна подвергается двойному воздействию геометрической деформации и фотоупругого эффекта. В зависимости от состояния силы, действующей на волокно, и параметров испытания, сигнал в основном демонстрирует следующие физические изменения:
I. Изменение передаваемой оптической мощности и вносимых потерь
-
Идеальное равномерное осевое растяжение (стадия микродеформации):
- В пределах упругой деформации кварцевого волокна (деформация обычно в диапазоне 0 \sim 10000\ \mu\varepsilon, т.е. удлинение менее 1\%) диаметры сердцевины и оболочки волокна незначительно сжимаются поперечно из-за эффекта Пуассона (коэффициент Пуассона для одномодового волокна \nu \approx 0.17).
- Незначительные изменения диаметра сердцевины и числовой апертуры оказывают минимальное влияние на способность волновода удерживать моды, поэтому собственные потери на затухание оптического волокна при чисто осевом растяжении практически не ухудшаются (изменение потерь обычно ниже 0.01\ \text{dB}, что трудно обнаружить обычным оптическим измерителем мощности).
-
Локальная концентрация напряжений и потери на микроизгибы:
- При реальных испытаниях патч-кордов в месте соединения (оболочка), на разъемах или в точках обжима часто наблюдаются неравномерные напряжения.
- Когда растягивающее напряжение вызывает несогласованное скольжение или боковое сжатие между защитной оболочкой (PVC/LSZH/Kevlar) и внутренним стеклянным сердечником, сердечник испытывает случайные высокочастотные изгибы (микроизгибы). Резко увеличивается число высокочастотных утекающих мод, и в этот момент на оптическом измерителе мощности наблюдается ступенчатое увеличение потерь или резкие колебания сигнала (потери могут скачкообразно увеличиваться на несколько \text{dB}).
-
Критическая точка механического разрыва:
- Когда осевое напряжение достигает порога хрупкого разрушения микротрещин кварцевого стекла, волокно разрушается, оптическая передача полностью прекращается, а вносимые потери мгновенно становятся бесконечными (\infty).
II. Изменение оптической фазы и задержки (Time Delay)
Наиболее чувствительными и заметными изменениями при растяжении волокна являются не затухание мощности, а оптическая фаза и задержка передачи:
- Увеличение геометрической длины: Фактическая физическая длина волокна L увеличивается ( \Delta L > 0 ).
- Снижение показателя преломления из-за фотоупругого эффекта: Осевое растягивающее напряжение \varepsilon приводит к снижению эффективного показателя преломления сердцевины n_{\text{eff}}:\Delta n_{\text{eff}} = -\frac{1}{2} n_{\text{eff}}^3 \left[ p_{12} - \nu (p_{11} + p_{12}) \right] \varepsilonгде p_{11} и p_{12} — фотоупругие коэффициенты кварцевого волокна.
- Изменение оптического пути (OPL) и фазы: Несмотря на снижение показателя преломления, вклад от удлинения физической длины является доминирующим, и оптический путь увеличивается. Фазовое замедление световой несущей \Delta \phi линейно увеличивается с растяжением:\Delta \phi = \frac{2\pi}{\lambda} (n_{\text{eff}} \Delta L + L \Delta n_{\text{eff}}) > 0При измерениях на интерферометре или по времени задержки импульса наблюдается смещение интерференционных полос или линейное смещение времени прихода импульса.
III. Изменение сигнала волоконно-оптической решетки (FBG) или распределенных датчиков
Если внутри патч-корда интегрирована структура волоконно-оптической решетки (FBG), то при растяжении волокна:
- Период решетки \Lambda увеличивается, и в сочетании с изменением эффективного показателя преломления n_{\text{eff}} длина волны отражения Брэгга \lambda_B испытывает линейное смещение в красную область спектра:\Delta \lambda_B = \lambda_B (1 - p_e) \varepsilonВ окне длины волны 1550\ \text{nm} длина волны сдвигается в длинноволновую область примерно на 1.2\ \text{pm} при каждом растяжении волокна на 1\ \mu\varepsilon (что эквивалентно удлинению на одну миллионную часть).
IV. Конструкция на основе силовых нагрузок в инженерных решениях
Обычные универсальные патч-корды, не имеющие жесткой силовой поддержки, при воздействии значительных внешних растягивающих усилий легко передают деформацию на внутренний сердечник, что приводит к ухудшению оптических потерь или даже к разрыву сердечника.
Для решения проблемы стабильности сигнала в условиях высоких нагрузок на растяжение, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) использует двухслойную композитную защитную структуру из бронированных стальных тросов и тонкостенных бесшовных стальных труб, которая полностью переносит осевое растягивающее усилие на внешние металлические слои, тем самым изолируя тягу, приложенную к внутреннему стеклянному сердечнику:
- OFSCN® 3.0mm Steel Wire Rope Fiber Optic Patch Cord (прочность на растяжение > 1200\ \text{N}, прочность на сжатие > 200\ \text{MPa} )
- OFSCN® 2.0mm Steel Wire Rope Fiber Optic Patch Cord (полностью металлическая конструкция, прочность на растяжение > 1500\ \text{N} )
