Я слышал, что оптоволокно боится воды. Означает ли это «пик воды», что оптоволокно стало влажным? Влияет ли это на датчик на длине волны 1550 нм?
«Водяной пик» — это важная физическая концепция в волоконной оптике, но из-за своего буквального названия она часто вызывает недопонимание. В ответ на ваш вопрос я дам вам строгое академическое объяснение с двух точек зрения: физических принципов и инженерных приложений:
1. Что такое «водяной пик» в оптическом волокне? Означает ли это, что волокно намокло?
Нет, «водяной пик» (Water Peak) в оптическом волокне обычно не означает, что волокно «намокло» или подверглось внешнему воздействию воды в повседневном использовании.
По сути, это специфический пик поглощения электромагнитного излучения, вызванный гидроксильными ионами (OH^-), которые остаются в кварцевом стекле оптического волокна в результате остатков химических реагентов или технологической среды в процессе производства.
- Физический механизм: Основные полосы колебательного поглощения связи OH^- и их высшие гармоники находятся в ближней инфракрасной области. Самый сильный пик резонансного поглощения приходится на длину волны около 1383 \text{ нм} (E-диапазон), а также существуют менее интенсивные пики поглощения на 1240 \text{ нм} и 950 \text{ нм}. Это поглощение приводит к серьезному затуханию света при прохождении через этот диапазон. На кривой спектральных потерь эти пики потерь, вызванные поглощением OH^-, называются «водяными пиками».
- Истинное «намокание» и «гидрогенное старение» (внешнее воздействие): Хотя остаточные OH^- в процессе производства являются основным источником водяных пиков, если обычное оптическое волокно длительное время подвергается воздействию среды, богатой водородом или высокотемпературным водяным паром, молекулы водорода постепенно диффундируют внутрь волокна (просачивание водорода) и вступают в химическую реакцию с сетевой структурой диоксида кремния, образуя новые OH^-. Это приводит к дальнейшему увеличению существующих потерь от водяных пиков. Это явление в инженерной практике называется «гидрогенным старением (Hydrogen Aging)».
2. Влияет ли это на датчики на 1550 \text{ нм}?
Практически никакого прямого влияния.
Основные причины заключаются в следующем:
-
Диапазон полностью избегает пиков поглощения:
- Самый сильный основной водяной пик кварцевого оптического волокна находится около 1383 \text{ нм}.
- Распространенные системы волоконно-оптических датчиков (например, системы датчиков на основе волоконных решеток Брэгга, FBG) и системы оптической связи в основном работают в стандартном C-диапазоне, то есть примерно от 1525 \text{ нм} до 1565 \text{ нм}.
- В диапазоне 1550 \text{ нм} кварцевое оптическое волокно демонстрирует минимальное теоретическое затухание (обычно \le 0,2 \text{ дБ/км} ). В этой области потери от поглощения OH^- чрезвычайно малы, поэтому это никак не влияет на передачу и демодуляцию сигналов датчиков на 1550 \text{ нм}.
-
Распространение технологии волокон с низким содержанием водяных пиков (LWP):
- Современные технологии производства оптических волокон (например, эволюция от традиционного одномодового волокна G.652 до спецификации G.652.D) за счет сверхчистых процессов обезвоживания практически устранили водяные пики на 1383 \text{ нм}, что позволяет использовать этот диапазон для широкополосной передачи.
3. Связанные продукты и инженерные применения
В прецизионных волоконно-оптических датчиках обычно используются высококачественные одномодовые оптические волокна с характеристиками низкого содержания водяных пиков. Основные волокна и связанные с ними компоненты датчиков, используемые Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), соответствуют строгим спецификациям по низкому содержанию водяных пиков:
- OFSCN® G.652D Optical Fiber
Это стандартное одномодовое оптическое волокно G.652.D с низким содержанием водяных пиков, которое благодаря прецизионным процессам устранило водяные пики (затухание на 1383 \text{ нм} даже ниже, чем на 1310 \text{ нм}). Оно обеспечивает отличные характеристики передачи на 1550 \text{ нм}, гарантируя долгую и стабильную работу датчиковой оптоволоконной цепи с низкими потерями.
- OFSCN® Polyacrylate Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
Голые волоконные решетки Брэгга и цепочки решеток, изготовленные на основе вышеупомянутых высококачественных оптических волокон с низким содержанием водяных пиков. Их рабочая длина волны при комнатной температуре по умолчанию охватывает диапазон от 1525 \text{ нм} до 1565 \text{ нм}, идеально соответствуя окну сверхнизких потерь и полностью исключая влияние водяных пиков.
Таким образом, «водяной пик» — это характерный пик поглощения, определяемый примесями в материале. Для волоконно-оптических датчиков, работающих в «золотом» диапазоне 1550 \text{ нм}, это физическое явление не создает помех. При условии использования оптического волокна, соответствующего спецификации G.652.D, связанные с этим риски для системы могут быть полностью устранены.