Sifat geometris dan optik serat optik
Sifat geometris
Ciri-ciri geometri dariserat optikberkaitan erat dengan konstruksi dan{0}}koneksi dengan kerugian rendah. Karakteristik geometris ini meliputi diameter inti, dimensi kelongsong, konsentrisitas serat, dan non-lingkaran.
(1) Diameter Inti: Diameter inti merupakan persyaratan untuk serat optik multimode. ITU-T menetapkan diameter inti serat optik multimode sebagai (50 ± 3) μm.
(2) Diameter Luar: Diameter luar serat optik mengacu pada diameter serat telanjang. Terlepas dari apakah itu serat multimode atau-mode tunggal, ITU-T menentukan diameter luar serat optik yang digunakan untuk komunikasi sebagai (125 + 3) μm.
(3) Konsentrisitas Serat dan Lingkaran Luar-: Konsentrisitas adalah rasio jarak antara pusat inti dan pusat kelongsong terhadap diameter inti. Sirkularitas di luar-dari-mencakup-di luar-kelingkaran inti dan kelongsong, dan dapat dinyatakan dengan rumus berikut:
Dalam rumusnya Dmaksdan Dmenitadalah diameter maksimum dan minimum inti (cladding); Dbersamaadalah diameter standar inti (cladding).
ITU-T menetapkan bahwa: kesalahan konsentrisitas serat multimode harus kurang dari 6%; non-sirkularitas inti harus kurang dari 6% (termasuk mode-tunggal); non-lingkaran kelongsong harus kurang dari 2%; dan kesalahan konsentrisitas serat mode tunggal-harus sebesar 1μm.
Sifat optik
Sifat optik serat optik merupakan faktor penting yang menentukan kinerja transmisinya.
(1) Distribusi Indeks Bias: Distribusi indeks bias serat multimode menentukan bandwidth serat dan kehilangan koneksi; distribusi indeks bias serat mode tunggal-menentukan pemilihan panjang gelombang pengoperasian. Rumus umum indeks bias serat optik adalah:
Dalam rumusnya, adalah jarak dari sumbu serat; n(0) adalah indeks bias inti serat ketika r=0; g adalah indeks sebaran indeks bias yang mempunyai nilai berbeda-beda sehingga mengakibatkan sebaran indeks bias berbeda-beda, seperti terlihat pada Gambar 2-2; adalah jari-jari inti serat (μm); dan △ adalah perbedaan indeks bias relatif.
Indeks bias inti: ketika r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)g]1/2
Indeks bias kelongsong: bila r lebih besar atau sama dengan ,n=n(r)=n(0)[1-2△]1/2
(2) Bukaan numerik (NA) serat optik berkaitan erat dengan efisiensi penggabungan sumber cahaya, sensitivitas kehilangan serat terhadap pembengkokan mikro, dan bandwidth. Bukaan numerik yang lebih besar memfasilitasi pemasangan, mengurangi sensitivitas pembengkokan mikro, dan menghasilkan bandwidth yang lebih sempit. Bukaan numerik teoritis maksimum didefinisikan sebagai berikut:
Dalam rumusnya, n adalah indeks bias inti seragam serat indeks-bertingkat (indeks bias n(0) dari pusat inti serat indeks-bertingkat); ng adalah indeks bias dari kelongsong seragam.
(3) Diameter medan mode Diameter medan mode dapat ditentukan dengan fungsi transfer medan mode fundamental Ea, yaitu lebar antara dua titik 1/é pada kurva hubungan antara fungsi transfer medan mode fundamental Ea dan radial r adalah diameter medan mode.
Estimasi diameter bidang cetakan:2S.=2入/(πn√△)
Dalam serat-mode tunggal, diameter bidang mode digunakan sebagai ganti diameter inti. Alasannya adalah bahwa serat dengan diameter inti yang sama akan memiliki distribusi medan mode yang berbeda di bawah distribusi indeks bias yang berbeda, dan kinerja transmisi serat bergantung pada distribusi medan mode.
Untuk konstruksi, jika diameter medan mode tidak sesuai pada sambungan serat, deviasi yang besar akan meningkatkan kehilangan sambungan. ITU-T menentukan diameter bidang mode sebagai (9-10) ± 1 μm.
(4) Panjang Gelombang Cutoff (Kondisi Transmisi-Mode Tunggal) Panjang gelombang cutoff adalah kondisi serat-mode tunggal untuk menjamin transmisi-mode tunggal. Di luar panjang gelombang ini, mode LP-urutan kedua tidak lagi merambat. Panjang gelombang cutoff berbeda dari parameter lain karena tidak konstan tetapi berubah seiring panjangnya. Hal ini memerlukan panjang gelombang cutoff serat mode tunggal-lebih kecil dari panjang gelombang operasi sistem komunikasi optik. Saat ini, panjang gelombang batas serat mode tunggal adalah 1,10~1,28µm, ditentukan oleh perbedaan indeks bias relatif Δ dan bentuk penampang.
Efek nonlinier dari serat optik
Dalam sistem komunikasi serat optik berkecepatan tinggi-berkapasitas tinggi,-kecepatan tinggi dengan multiplexing divisi panjang gelombang padat (DWDM) dengan penguat serat yang didoping erbium-, serat optik mentransmisikan berbagai panjang gelombang dan daya tinggi. Daya optik yang tinggi ini dapat menimbulkan berbagai efek nonlinier akibat interaksi antara sinyal dan serat. Jika efek nonlinier ini tidak ditekan dengan baik, maka akan sangat berdampak pada kinerja sistem dan membatasi jarak repeater yang dapat diregenerasi. Linearitas atau nonlinier mengacu pada sifat cahaya dalam media transmisi, bukan sifat cahaya itu sendiri. Namun, kehadiran medan optik mengubah sifat medium. Ketika suatu medium terkena medan optik yang kuat, elektron di dalam atom atau molekul yang membentuk medium tersebut bergeser atau bergetar, menyebabkan polarisasi. Gelombang dipol muncul dalam medium terpolarisasi, dan dipol ini memancarkan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi yang sama, yang ditumpangkan pada medan datang asli, menjadi medan optik total dalam medium. Hal ini menunjukkan bahwa perubahan sifat medium, pada gilirannya, mempengaruhi bidang optik.
Efek nonlinier serat optik dapat dibagi menjadi dua kategori: hamburan terstimulasi dan gangguan indeks bias.
◇ Hamburan terstimulasi terjadi dalam sistem termodulasi di mana sinyal optik berinteraksi dengan gelombang akustik atau getaran sistem pada serat optik; artinya, bidang optik mentransfer sejumlah energi ke media nonlinier. Hamburan Raman terstimulasi dan hamburan Brillouin terstimulasi termasuk dalam kategori ini.
Hamburan Raman terstimulasi (SRS) disebabkan oleh modulasi (interaksi) getaran molekul dalam medium pada cahaya datang (disebut lampu pompa), sehingga terjadi hamburan cahaya datang. Misalkan frekuensi cahaya datang adalah , dan frekuensi getaran molekul medium adalah ν, maka frekuensi cahaya yang tersebar adalah ∞=∞∞ dan ν=∞, +∞. Fenomena ini disebut hamburan Raman terstimulasi. Cahaya yang tersebar dengan frekuensi ∞ disebut gelombang Stokes; cahaya yang tersebar dengan frekuensi ν disebut gelombang anti-Stokes.
◇ Di bawah daya optik rendah, indeks bias serat kaca silika tetap konstan karena gangguan indeks bias. Namun, ketika menggunakan penguat serat pemberat untuk memperoleh daya optik yang tinggi, perubahan intensitas sinyal yang ditransmisikan dapat menyebabkan perubahan indeks bias serat. Tiga efek nonlinier yang disebabkan oleh gangguan indeks bias adalah modulasi fase-sendiri (SPM), modulasi-fase silang (CPM), dan pencampuran empat-gelombang.
Modulasi-fase mandiri (SPM) mengacu pada fenomena ketika fase pulsa optik berubah selama transmisi, sehingga menyebabkan perluasan spektral pulsa. SPM berkaitan erat dengan-pemfokusan diri; jika parah, dalam sistem multiplexing pembagian panjang gelombang padat (DWDM), perluasan spektral dapat tumpang tindih ke saluran yang berdekatan.
Sifat mekanik dan suhu serat optik
Sifat mekanik serat optik
Sifat mekanik serat optik sangat penting. Serat optik kuarsa yang digunakan dalam komunikasi adalah filamen kaca tipis dengan diameter luar sekitar 125 μm. Kaca adalah bahan yang sangat keras, tidak-ulet, dan rapuh. Batas kekuatannya ditentukan oleh kekuatan ikatan ikatan Si-O dalam strukturnya. Secara teoritis, tegangan yang diperlukan untuk memutus ikatan atom Si-O diperkirakan sebesar 19600–24500 N/mm², oleh karena itu, serat optik dengan diameter luar sekitar 125 μm dapat menahan kekuatan tarik sebesar 294 N. Namun, retakan pasti terjadi pada permukaan atau di dalam serat optik sebenarnya. Ketika serat terkena gaya eksternal, retakan mikro-yang sangat kecil sekalipun dapat meluas dan merambat, menyebabkan kerusakan besar, yang sangat mengurangi kekuatan putus serat (kira-kira 1/4 dari nilai teoritis). Oleh karena itu, mulai dari pengembangan hingga penerapan serat optik dalam skala besar, upaya, sumber daya, dan pendanaan yang signifikan telah diinvestasikan untuk mengatasi tantangan ini. Saat ini, departemen penelitian, manufaktur, perkabelan, dan konstruksi sedang menyelidiki lebih lanjut cara meningkatkan kekuatan tarik dan masa pakai serat optik.
Kekuatan tarik serat optik yang tersedia secara komersial tidak boleh kurang dari gaya tarik 2,35 N. Saat ini kekuatan tarik serat optik yang tersedia secara komersial telah mencapai 0,5% regangan atau gaya tarik 432 g. Serat optik yang digunakan di dalam negeri untuk proyek teknik umumnya memiliki kekuatan tarik lebih besar dari gaya tarik 400 g. Serat optik asing dengan kualitas lebih baik memiliki kekuatan tarik melebihi 700 g gaya tarik, dan serat yang digunakan untuk kabel bawah laut memerlukan kekuatan yang lebih tinggi lagi. Persyaratan kekuatan tarik serat optik ini dicapai melalui metode penyaringan selama proses pembuatan serat.
Umur serat optik biasanya disebut sebagai umur layanannya. Dari perspektif kinerja mekanis, masa pakai mengacu pada umur patahnya. Dalam pembuatan dan rekayasa serat optik dan kabel, umumnya dirancang masa pakai 20 tahun. Namun, masa pakai serat optik sebenarnya tidak sepenuhnya konsisten karena pengaruh lingkungan pengoperasian (seperti suhu, kelembapan, dan kelelahan statis dan dinamis). Perkiraan saat ini menunjukkan bahwa serat optik yang dirancang untuk umur 20 tahun sebenarnya bisa bertahan 30 hingga 40 tahun.
Karakteristik suhu serat optik
Karakteristik suhu serat optik mengacu pada dampak suhu tinggi dan rendah terhadap kehilangan serat, yang umumnya mengakibatkan peningkatan kehilangan serat. Kehilangan serat meningkat pada kondisi suhu tinggi dan rendah karena bahan yang digunakan dalam pelapisan dan pelapisan serat adalah resin organik dan plastik, yang memiliki koefisien kontraksi dan ekspansi yang jauh lebih besar dibandingkan kuarsa. Oleh karena itu, pada suhu rendah, serat mengalami gaya tekan aksial, menyebabkan pembengkokan mikro, sedangkan pada suhu tinggi, serat mengalami gaya pemanjangan aksial, menghasilkan tegangan dan menyebabkan peningkatan kerugian. Karakteristik suhu serat optik menunjukkan bahwa seiring dengan penurunan suhu, kehilangan serat juga meningkat. Ketika suhu turun menjadi sekitar -55 derajat , kerugian meningkat drastis, sehingga sistem tidak dapat digunakan. Saat ini, karakteristik{10}suhu rendah dari serat optik telah mencapai tingkat yang baik; umumnya, pada -20 derajat, peningkatan kehilangan kurang dari 0,1dB/km, dan untuk serat berkualitas tinggi, kurang dari 0,05dB/km.
Performa-serat optik pada suhu rendah sangatlah penting. Untuk kabel dan saluran optik overhead di wilayah utara, performa-suhu rendah yang buruk akan sangat memengaruhi kualitas komunikasi. Oleh karena itu, selama pembuatan serat optik, penting untuk memilih bahan pelapis dan pelapis yang sesuai serta meningkatkan proses. Dalam desain teknik, sangat penting untuk memilih serat optik dengan karakteristik yang sangat baik.
