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. 3).

Рис. 3. 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 [1]:

, дБ/км

(1)

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 [1,3]:

(2)

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

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 [1,3]:

(3)

где tgd – тангенс угла диэлектрических потерь в световоде, n- коэффициент преломления серцевины ОВ. Для спектральных диапазонов О, Е и S - n = 1,4677. Для спектральных диапазонов С, L и V - n = 1,4682. Сегодня tgd очищенного стекла находится на уровне 10^-11 .

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 (рис. 2), 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 LWP (Low Water Peak Fiber) или ZWP (Zero Water Peak), 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 2. приведены ведущие производители оптических волокон и соответствующие торговые марки волокон LWPF.

В качестве примера на рис. 4 приведены спектральные характеристики одномодовых оптических волокон CorningÒ: (а) волокно SMF-28ä с «водяным пиком» – в настоящее время снято с производства; (б) LWPF волокно SMF-28eä.

Таблица 2

Производитель	LWPF
Corningâ	SMF-28eTM SMF-28e+TM
Alcatel
Optical Fiber Solutions (OFS)	Allwave Truewave RS
Draka	ESMF
Fujikura	FutureGuide-LWP FutureGuide-SR15E
Sumitomo Electric Industries Ltd.	PureBandTM
Yangtze Optical Fibre and Cable (YOFC)	268WY
Pirelli	SMR

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 [4]:

(4)

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 0,151 дБ/км на длине волны l=1568 нм (Sumitomo Electric Industries Ltd.). Предыдущий рекорд 0,154 дБ/км 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.

	(а)	(б)
	Рис. 4. Спектральные характеристики коэффициента затухания одномодовых оптических волокон CorningÒ: (а) волокно SMF-28ä; (б) LWPF волокно SMF-28eä

Кабельные потери

Кабельные потери a_к обусловлены деформацией оптических волокон в процессе изготовления и прокладки кабеля. К ним относятся следующие факторы [1,5]: 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 10 % 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. 5).

Рис. 5. Факторы потерь на макроизгибе оптического волокна

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. 6).

Рис. 6. Потери на микроизгиб

Согласно рекомендациям G.652.A-D, G.655.E,D максимальные потери на длине волны 1625 нм для 100 витков радиусом 30 мм составляют 0.1 дБ.

Согласно рекомендациям G.653.А максимальные потери на длине волны 1550 нм для 100 витков радиусом 30 мм составляют 0.5 дБ, а для G.653.В при тех же условиях - 0.1 дБ.

Согласно рекомендациям G.655.А-С, G.656 максимальные потери на длине волны 1625 нм для 100 витков радиусом 30 мм составляют 0.5 дБ.

Примеры прироста затухания на изгибах для некоторых коммерческих образцов ОВ приведены в таблицах 3-5.

Таблица 3. Потери на изгибах ОВ Corning SMF28e (G.652.D)

Количество витков	Радиус оправки, мм	Длина волны, нм	Затухание, дБ
			£0,05
			£0,05
			£0,05
			£0.05

Таблица 4. Потери на изгибах ОВ OFS Truewave REACH (G.655)

Количество витков	Радиус оправки, мм	Длина волны, нм	Затухание, дБ
			£0,5
			£0,5
			£0,05
			£0.05

Таблица 5. Потери на изгибах ОВ Draka TeraLight (G.655)

Количество витков	Радиус оправки, мм	Длина волны, нм	Затухание, дБ
			£0,5
			£0,05
			£0,05

ЛИТЕРАТУРА

1. Листвин А.В., Листвин В.Н., Швырков Д.В. Оптические волокна для линий связи. – М.: ЛЕСАРарт, 2003. – 288с.

2. Воронцов А.С., Гурин О.И., Мифтяхетдинов С.Х. и др. Оптические кабели связи российского производства. Справочник. – М.: Эко-Тренз, 2003. – 288с.

3. Андреев В.А., Бурдин А.В. Многомодовые оптические волокна. Теория и приложения на высокоскоростных сетях связи. – М.: Радио и связь, 2004. – 248с.

4. Бурдин В.А. Основы моделирования кусочно-регулярных волоконно-оптических линий передачи. – М.: Радио и связь, 2002. – 360 с.

5. Стерлинг Д. Волоконная оптика: Пер. с англ. – М.: Лори, 1998. – 288с.