A kihívás
Az optikai szál kis veszteséggel viszi át a jelet nagy távolságokra, de minden hajlítás rontja a teljesítményét. A hajlítás deformálja a vezetett mód térbeli eloszlását az egyenes hullámvezető módjához képest, aminek következtében az optikai teljesítmény egy része elszivárog a magból a köpenybe, és kifelé sugárzik. Ezen veszteségek pontos modellezése kulcsfontosságú a szálak tervezésénél, a jelintegritás fenntartásánál az optikai hálózatokban, valamint a kompakt fotonikai integrációnál, ahol a szoros hajlítások néha elkerülhetetlenek. A kérdés az: milyen hajlítási sugártól válnak a veszteségek elfogadhatatlanná?
A megoldás
Az SMF-28 szálat az OptiMode FEM solverében modellezték λ = 1550 nm hullámhosszon: adalékolt kvarcüveg mag (n = 1,44916, átmérő 8,3 μm) tiszta kvarcüveg köpenyben (n = 1,44346), a mezőket a magtól távol elnyelő PML határfeltételekkel. A hajlítási veszteség közvetlenül a mód komplex effektív törésmutatójának képzetes részéből következik:
Veszteség (dB/m) = 4,343 · (4π · Im(n_eff) / λ)
Kulcsfontosságú a hajlítási sugáron való „lépegetés” technikája: a szimuláció egy nagyon nagy sugárból indul (jól vezetett mód), majd apró lépésekben ereszkedik a célsugárig, az előző lépés módegyütthatóját használva becslésként a következőhöz. Ennek köszönhetően a solver ugyanazon a módágon marad, és nem ugrik nemfizikai állapotokba. Ezt a folyamatot a sugarak tartományára megismételve teljes veszteségjelleget kapunk.
Veszteség (dB/m) = 4,343 · (4π · Im(n_eff) / λ)
Kulcsfontosságú a hajlítási sugáron való „lépegetés” technikája: a szimuláció egy nagyon nagy sugárból indul (jól vezetett mód), majd apró lépésekben ereszkedik a célsugárig, az előző lépés módegyütthatóját használva becslésként a következőhöz. Ennek köszönhetően a solver ugyanazon a módágon marad, és nem ugrik nemfizikai állapotokba. Ezt a folyamatot a sugarak tartományára megismételve teljes veszteségjelleget kapunk.
Eredmények
- Veszteség a hajlítási sugár függvényében — 0,5 dB/m alatt R = 14 mm-nél, amely több száz dB/m-re növekszik R = 6 mm-nél.
- Kiváló egyezés az analitikai modellel — a FEM eredmények egybeesnek az analitikai megoldással (Faustini és Martini, 1997), ami megerősíti a módszer megbízhatóságát.
- Látható veszteségmechanizmus — R = 6 mm-nél a mód tere láthatóan a magból a köpeny felé tolódik, a sugárzás pedig n_eff képzetes részeként jelenik meg.
- Tervezési döntés alapja — a minimális hajlítási sugár egyértelmű megválasztása egy adott veszteségbüdzsé mellett, még a gyártás előtt.
- Kiváló egyezés az analitikai modellel — a FEM eredmények egybeesnek az analitikai megoldással (Faustini és Martini, 1997), ami megerősíti a módszer megbízhatóságát.
- Látható veszteségmechanizmus — R = 6 mm-nél a mód tere láthatóan a magból a köpeny felé tolódik, a sugárzás pedig n_eff képzetes részeként jelenik meg.
- Tervezési döntés alapja — a minimális hajlítási sugár egyértelmű megválasztása egy adott veszteségbüdzsé mellett, még a gyártás előtt.
Használt szoftver
Az OptiMode az Optiwave FEM módszolvere hullámvezetők és szálak módjainak elemzéséhez. Kiszámítja a komplex effektív törésmutatót, amelyből közvetlenül következik a hajlítási veszteség — ez a végeselem-módszerrel végzett módelemzés területe.
Szeretné meghatározni a minimális hajlítási sugarat szálához vagy hullámvezetőjéhez egy adott veszteségbüdzsé mellett? Igényeljen OptiMode próbaverziót, vagy vegye fel velünk a kapcsolatot — megmutatjuk, hogyan építsen fel egy ilyen módelemzést.
Az Optiwave OptiMode alkalmazási megjegyzésén alapuló példa; az eredmények egyezését az analitikai modellel szemben ellenőrizték (L. Faustini, G. Martini, „Bend loss in single-mode fibers”, J. Lightwave Technol., 1997).