Составляющие потерь в оптических волокнах

В общем случае, потери в оптических волокнах складываются из собственных потерь в волоконных световодах a_с и дополнительных потерь, т.н. кабельных a_к, обусловленных скруткой, а также деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля (рис.).

Рис. Некоторые составляющие затухания оптических волокон.

Собственные потери оптических волокон состоят из потерь поглощения a_п и потерь рассеяния a_р, а также потерь на поглощение, обусловленных присутствующими в световодах примесями a_пр и потерь на поглощение в инфракрасной области a_ик:

, дБ/км

(1.22)

где a_с – собственные потери;

a_к – кабельные потери;

a_п – потери на поглощение;

a_р – потери на рассеяние;

a_пр – потери на поглощение, обусловленные примесями;

a_к – кабельные потери;

a_ик – потери на поглощение в инфракрасной области.

Потери Рэлеевского рассеяния

Потери Рэлеевского рассеяния обусловлены тепловой флуктуацией показателя преломления и неоднородностями материала световода, расстояние между которыми меньше длины волны. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях, в результате часть его теряется в оболочке. Величина потерь на рассеяние a_р, дБ/км, определяется по следующей формуле

где k_р – коэффициент Рэлеевского рассеяния, для кварца равный примерно (0,8 мкм^{4 .} дБ)/км.

Потери на Рэлеевском рассеянии определяют нижний предел собственного затухания, соответствующий длине волны 1550 нм, и сильнее проявляются в области коротких длин волн.

Коэффициент Рэлеевского рассеяния зависит от режима тепловой обработки заготовки и уменьшается при снижении температуры вытяжки волокна. Таким образом, при уменьшении температуры вытяжки до 1800^оС и скорости вытяжки до 1м/с потери в оптических волокнах с легированной GeO₂ сердцевиной удалось уменьшить до 0,16 дБ/км и 0,29 дБ/км на длинах волн 1550 и 1310 нм, соответственно.

Дальнейшее уменьшение затухания может быть получено в оптических волокнах с так называемой депрессированной оболочкой. В световодах такого типа потери a_р снижаются за счет уменьшения степени легирования сердцевины. Также уменьшаются потери, возникающие из-за дефектов, появляющихся при вытяжке волокна, т.к. сердцевина и оболочка лучше согласованы по вязкости.

Потери на поглощение

Потери на поглощение состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение) a_п, так и из потерь, связанных с поглощением на примесях a_пр.

Примесные центры, в зависимости от типа примеси, поглощают свет на определенных (присущих данной примеси) длинах волн и рассеивают поглощенную световую энергию в виде джоулева тепла. Затухание поглощения определяется соотношением

где tgd – тангенс угла диэлектрических потерь в световоде.

Тем не менее, уже к 1990 г. оптические волокна становятся настолько чистыми (99,9999%), что наличие примесей перестает быть основным фактором затухания. Спектральная характеристика затухания a(l)сглаживается при этом проявляются локальные максимумы резонанса поглощения на гидроксильной группе ОН^– (длины волн 1290 и 1383 нм).

Однако в последних разработках одномодовых оптических волокон за счет улучшения технологии очистки от водяных паров удалось снизить потери и в «водяном» пике. Подобные волокна получили название LWPF (Low Water Peak Fiber), при этом потери в области l=1380±3 нм снижены до 0,31 дБ/км, что меньше, чем потери во втором окне прозрачности.

В таблице приведены ведущие производители оптических волокон и соответствующие торговые марки волокон LWPF. а на рис. приведены спектральные характеристики коэффициента затухания.

Таблица

Производитель	LWPF
Corningâ	SMF-28eTM
Alcatel
Optical Fiber Solutions (OFS)	Allwave
Sumitomo Electric Industries Ltd.	PureBandTM
Yangtze Optical Fibre and Cable (YOFC)	268WY
Pirelli	SMR

В качестве примера на рис. приведены спектральные характеристики одномодовых оптических волокон CorningÒ: (а) волокно SMF-28ä с «водяным пиком» – в настоящее время снято с производства; (б) LWPF волокно SMF-28.

(а)	(б)
Рис. Спектральные характеристики коэффициента затухания одномодовых оптических волокон CorningÒ: (а) волокно SMF-28ä; (б) LWPF волокно SMF-28eä.

На рис. представлена спектральная характеристика коэффициента затухания многомодового оптического волокна CorningÒ 50/125.

Рис. Спектральная характеристика коэффициента затухания многомодового оптического волокна CorningÒ 50/125.

На длинах волн свыше 1600 нм начинают проявляться потери на инфракрасное поглощение, вызываемые колебаниями связи Si-O молекулы кварца SiO₂ , а в ультрафиолетовой части спектра – из-за резонанса электронов, поэтому инфракрасное поглощение часто называют ионным, а ультрафиолетовое – электронным.

Величина потерь на инфракрасное поглощение a_ик пропорциональна показательной функции и уменьшается с ростом частоты по закону:

где C и k – постоянные коэффициенты (для кварца k=0,7..0,9 мкм; С=0,9).

В 2002 рекордно минимальный коэффициент затухания a составил 0,154 дБ/км на длине волны l=1568 нм (Sumitomo Electric Industries Ltd.). Предыдущий рекорд был установлен еще в 1986 г. и рассматривался как фактический предел. Сердцевина данного оптического волокна была изготовлена из чистого кварца, оболочка легирована фтором. Составляющие потерь принимали следующие значения:a_р=0,128 дБ/км; a_ик=0,014 дБ/км; примеси OH^– : 0,004 дБ/км; несовершенство ОВ: 0,004 дБ/км.

Потери в диапазоне l=1520…1606 нм не превышали 0,160 дБ/км.

Кабельные потери

Кабельные потери a_к обусловлены деформацией оптических волокон в процессе изготовления и прокладки кабеля. К ним относятся следующие факторы: скрутка; микро и макро изгибы; отклонение о прямолинейности; термомеханические воздействия на ОВ при наложении оболочек и покрытий; особенности технологии производства оптического кабеля.

При соблюдении технических условий (ТУ) на прокладку кабеля номинальный вклад со стороны кабельных потерь составляет не больше 20 % от полного затухания.

Потери на изгибах возникают по трем причинам:

- Первая причина вызвана смещением модового пятна распространяющейся моды на некоторую величину относительно оптической оси сердцевины волокна, которая зависит от радиуса изгиба. Таким образом, в точке перехода прямого световода в изогнутый часть мощности основной моды передается модам высших порядков, которые для одномодовых оптических волокон фактически являются вытекающими и излучаемыми, и в конечном счете теря­ется (рис.).

- Вторя причина обусловлена тем, что в изогнутом волокне периферийная часть моды распространяется ближе к границе сердцевина/оболочка быстрее, чем основная часть в центральной области сердцевины. В результате периферийная часть моды излучается в оболочку во­локна и, в конечном счете, теряется. Величина этих потерь тем больше, чем больше число витков волокна и чем меньше ради­ус изгиба волокна.

- Третья причина потерь на микроизгибах обусловлена тем, что часть мощности основной моды передается модам высших порядков, а в многомодовых оптических волокнах мощность сигнала также теряется, поскольку направляемые моды высших порядков преобразуются в вытекающие и излучаемые (рис.).