Оптические потери в волокне

При распространении сигнала по ОВ происходит затухание его мощно­сти, обусловленное различными линейными и нелинейными механизмами взаимодействия световых волн со средой волокна.

Затухание является одним из основных факторов, определяющих макси­мальное расстояние, на которое можно передать сигнал без установки проме­жуточных регенераторов.

Уменьшение мощности сигнала происходит по экспоненциальному закону

, (2.1)

где Ро - мощность, вводимая в волокно; а - коэффициент затухания (потерь); L - длина ОВ.

Коэффициент затухания а сигнала в ОВ обусловлен собственными и до­полнительными потерями мощности:

, (2.2)

где α_соб и α_доп- коэффициенты, обусловленные соответственно собственными и дополнительными потерями мощности в ОВ.

Собственное затухание в волокне обусловлено главным образом погло­щением и рассеянием энергии в материале ОВ:

(2.3)

Общие потери на поглощение в ОВ

(2.4)

где α_пм, α_ик, α_пр - составляющие коэффициента затухания за счет поглощения в материале волокна, инфракрасной области и на примесях соответственно.

Составляющая α_пм определяет ту часть мощности, которая поглощается материалом ОВ и связана с потерями на диэлектрическую поляризацию дипо­лей ОВ:

, (2.5)

где n₁ - показатель преломления сердцевины ОВ; tg δ - тангенс угла диэлектри­ческих потерь сердцевины ОВ.

Составляющая α_ик, обусловленная электронным и атомным резонансами в инфракрасной части спектра за счет колебания атомов в кристаллической ре­шетке, определяется из выражения

, (2.6)

где С и k - постоянные коэффициенты, равные для кварца С = 0,9 и k = (0,7-0,9)∙10^-6м.

К примесям, содержащимся в кварцевом волокне, относятся ионы метал­лов переходной группы Fe, Си, Со, Сr, Ni, Mn. Указанные ионы вызывают соот­ветствующие полосы поглощения в диапазоне 0,5-1,5 мкм. Длина волны пика поглощения и ширина полосы зависят от элемента примеси и состава стекла. Кроме того, на длину пика поглощения и ширину полосы поглощения оказы­вают влияние валентное состояние самого иона. Например, если ион Fe³⁺ вызы­вает максимальное поглощение в области ниже 0,4 мкм, то ион Fe²⁺ вызывает максимальное поглощение в области выше 1,1 мкм.

Другой существенной примесью является вода, присутствующая в стекле в виде ионов гидроксильной группы ОН⁻. Хотя основной пик поглощения ОН⁻ располагается вблизи 2,7 мкм, гармоники основного колебания обусловливают максимумы поглощения на длинах волн 0,95, 1,24 и 1,39 мкм.

Потери на гидроксильном остатке воды (ОН⁻) в современных ОВ, выпус­каемых в соответствии с требованиями ITU-T рек. G651, G652, имеют следую­щие значения:

Потери на поглощение в материале зависят от концентрации ионов ме­таллов переходной группы и гидроксильной группы ОН⁻, и для их уменьшения требуется высокая чистота исходных материалов.

В табл. 2.1 приведены значения концентрации ионов металлов и группы ОН⁻ при значениях пиковых потерь в стекле.

Таблица 2.1

Концентрация примесей при а = 1 дБ/км

Ион	ОН−	Сu2+	Fe2+	Cr3+
Концентрация	1,25∙10-6	2,5∙10-9	1∙10-9	1∙10-9

Современные ОВ в большинстве случаев изготавливаются из химически чистой двуокиси кремния (SiO₂), поэтому в широком диапазоне длин волн оп­тического излучения (0,8-1,6 мкм) поглощение практически сведено к нулю.

Исключение составляют длины волн 1380-1410 нм, на которых происхо­дит поглощение из-за присутствия гидроксильной группы ОН⁻. По этой причи­не составляющей α_п в выражении (2.3) можно пренебречь и считать, что затухание света в ОВ происходит только вследствие рассеяния, зависящего от раз­меров локальных неоднородностей. Следует отметить, что в материалах, из ко­торых изготавливаются современные ОВ, существуют только микроскопиче­ские неоднородности, размер которых много меньше длины волны.

В общем случае рассеяние энергии вызывается несколькими причинами. Различают нелинейное и линейное рассеяния. К нелинейным эффектам рассеяния относятся рамановское спонтанное и стимулированное комбинационное излу­чения. Эти эффекты появляются при определенных пороговых уровнях мощно­сти. При линейном рассеянии мощность рассеяния пропорциональна мощности падающей волны. В этом случае происходит частичное изменение направления потока энергии. Одним из видов линейного рассеяния является рассеяние Ми, на неоднородностях, размеры которых соизмеримы с длиной волны.

Фундаментальным линейным рассеянием является рэлеевское рассеяние, возникающее в результате флуктуации показателя преломления материала во­локна, тогда величина потерь

,(2.7)

где k = 1,38∙10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т = 1500 К - температура за­твердевания стекла при вытяжке; β = 8,1 ∙10^-11 м²/Н - коэффициент изотермиче­ской сжимаемости; п = 1,48 - 1,50 - показатель преломления сердцевины ОВ.

Из выражения (2.7) следует, что затухание вследствие рассеяния на флуктуациях обратно пропорционально четвертой степени длины волны и растет с увеличением показателя преломления.

Рэлеевское рассеяние является некогерентным, даже если исходный све­товой поток является высококогерентным. Оно происходит во все стороны. Большая часть излучения рассеяния происходит через оболочку ОВ и покидает его, часть распространяется в направлении распространения основного потока, а часть - в обратном направлении.

Рэлеевское рассеяние определяет нижний предел потерь, присущих ОВ, и составляют порядка 0,16 дБ/км на длине волны 1550 нм.

Таким образом, потери в волокне в значительной степени зависят от тех­нологии изготовления стекла. Очевидно, что для обеспечения низкого уровня потерь требуется высокая чистота материала.

В настоящее время технология изготовления ОВ доведена до такой сте­пени совершенства, что результирующие потери в волокне определяются глав­ным образом эффектами, присущими самому материалу, т. е. рэлеевским рас­сеянием и инфракрасным поглощением. По существу эти два фактора и определяют окно прозрачности (0,7-1,8 мкм) современных оптических волокон. В качестве примера на рис. 2.1 представлены типовые зависимости основных со­ставляющих потерь от длины волны.

Рис. 2.1. Составляющие потерь энергии

Как видно из рис. 2.1, рэлеевское рассеивание α_рр ограничивает нижний предел потерь в левой части, а инфракрасное поглощение α_ик - в правой части спектра волн.

В настоящее время в технике связи в основном применяются кварцевые ОВ, область эффективного использования которых находится в диапазоне длин волн до 2 мкм. При дальнейшем увеличении длины волны из-за значительных величин α_ик кварц в ОВ заменяется другими материалами.

На более длинных волнах в качестве материала для волокна используют­ся галоидные, халькогенидные и фтористые стекла. По сравнению с кварцевы­ми волокнами они обладают большей прозрачностью и обеспечивают снижение потерь на несколько порядков.

Суммарное значение коэффициента затухания ОВ, выраженное рэлеевскими потерями и общими потерями за счет поглощения:

,(2.8)

где α - коэффициент затухания ОВ, дБ/км; k_п = 0,1-0,25 - экспериментальный поправочный коэффициент, учитывающий потери на поглощение.

Дополнительные потери мощности α_доп возникают за счет рассеяния из-за различных нарушений геометрии ОВ в процессе производства ОК. Основными факторами, связанными с геометрией ОВ, являются: нерегулярности из-за не­ровности поверхности раздела сердцевина-оболочка, вариации размеров попе­речного сечения сердцевины и микроизгибы, связанные с нанесением защитно­го покрытия и сборкой кабеля.

Эти потери, в частности, зависят от толщины оболочки: чем толще обо­лочка ОВ, тем меньше потери, но с другой стороны увеличение толщины обо­лочки приводит к ухудшению гибкости ОВ и увеличению его стоимости. Поэто­му для многомодовых ОВ толщина защитной оболочки выбирается в 1,5-2 раза больше радиуса сердцевины. В этом случае потери в защитной оболочке не превышают 0,5 дБ/км. Для одномодовых ОВ соотношение указанных геометри­ческих параметров несколько иное, т. е. для обеспечения малых величин потерь толщина защитной оболочки должна в 10 и более раз превышать радиус серд­цевины. По этой причине, несмотря на то, что диаметр сердцевины одномодо­вых ОВ составляет 8-10 мкм, диаметр его по защитной оболочке такой же, как у многомодовых ОВ.

При наличии геометрических нерегулярностей размера сердцевины во­локна вдоль оси с пространственным периодом менее 1 мм энергия направляе­мых мод может передаваться в моды излучения, что приводит к дополнитель­ным потерям в ОВ.

Для оценки значения составляющей затухания от волноводного рассеяния приведены данные для двухслойного волокна с радиусом сердцевины 5 мкм и относительной разностью коэффициентов преломления 1%. При среднеквадра­тичном отклонении границы раздела слоев от прямой линии, равном 10^-3 мкм, потери составляют до 10 дБ/км, поэтому во избежание потерь, обусловленных изменением поперечных размеров световода по длине, необходимо выдержи­вать поперечное сечение волокна постоянным по длине, либо допускать только очень большую периодичность (по длине) вариаций размера сердцевины.

Существующие методы изготовления заготовок и вытяжки волокон в ус­ловиях достаточно строгого контроля позволяют свести к минимуму рассмат­риваемые потери.

Потери из-за микроизгибов обусловлены связью мод на малых деформа­циях оси ОВ и поэтому зависят от статистики этих хаотически распределенных деформаций. Дополнительные потери такого типа могут быть снижены путем создания более совершенных конструкций кабелей с тщательной укладкой во­локон.

При соответствующем выборе материалов, конструкции и технологии из­готовления ОК дополнительные потери могут быть уменьшены до 0,2 дБ/км. Следует отметить, что дополнительные потери мощности в ОВ при производстве ОК практически остаются постоянными в диапазоне длин волн 0,8-1,8 мкм.

При строительстве и эксплуатации оптических кабельных линий связи также возможно появление дополнительных потерь. Эти потери, прежде всего, связаны с изгибами ОВ, которые неизбежно возникают при прокладке кабеля. Потери на изгибах ОВ обусловлены преобразованием на изгибах направляемых мод в моды излучения,

Потери на изгибах ОВ обусловлены вытеканием или излучением направ­ляемых мод. Их зависимость от параметров волокна и радиуса кривизны изгиба описывается экспоненциальной функцией, что определяет их пороговый харак­тер, т. е. потери на изгибах ОВ становятся недопустимо большими, как только радиус кривизны изгиба уменьшается до критических значений.

Критический радиус изгиба волокна, при котором вся передаваемая мощ­ность теряется на излучение:

(2.9)

Еще одной причиной возможного появления дополнительных потерь в процессе эксплуатации является постепенное ухудшение передаточных харак­теристик ОВ из-за помутнения волокна и образования микротрещин под воз­действием влаги.

Заметим, что в реальных ОВ и ОК вследствие большого числа случайных причин, приводящих к резкому возрастанию потерь, основным методом опре­деления затухания является его измерение. На заводах измеряют затухание всех ОВ в ОК на заданной длине волны X и данные измерений записывают в паспорт ОК для строительной длины кабеля.