Ослабление сигнала в волоконных световодах

 

Уменьшение (ослабление) средней мощности светового сигнала по мере распространения вдоль волновода называется затуханием. Затухание света в оптическом волокне вызывается несколькими физическими механизмами, связанными с поглощением или рассеянием света.

Затухание света в волокне (при малой мощности светового сигнала), как и в другой линейной среде, приводит к уменьшению мощности:

,

где - коэффициент затухания;

- оптическая мощность.

Проинтегрировав по z получим известный в оптике линейных сред закон экспоненциального убывания мощности (закон Бугера):

,

где – длина линии;

- мощность вводимая в волокно.

Удельное затухание в логарифмических единицах, измеряется в и определяется следующим выражением:

Удельные или километрические потери, определяемые по выше приведенной формуле, является отрицательной величиной, однако знак минуса часто опускают и приводят значения модуля этой величины.

Затухания обусловлены собственными потерями в ОВ и дополнительными (кабельными) потерями , которые обусловлены скруткой, деформацией и изгибами оптических волокон при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптических кабелей:

Собственные потери волоконного световода состоят из потерь поглощения и потерь рассеяния :

Дополнительные (кабельные) потери классифицируют по следующим составляющим:

где - потери вследствие микроизгибов;

- потери вследствие микроизгибов и других нарушений прямолинейности ОВ;

- за счет потерь в защитной оболочке;

- потери вследствие термомеханических воздействий на волокно в процессе изготовления кабеля.

Потери на поглощение

Собственное поглощение кварцевого стекла определяется поглощением фотонов (квантов света), при котором энергия фотона переходит либо в энергию электронной подсистемы, это резонансы в ультрафиолетовой области спектра связанные с электронными структурами атомов кристаллической решетки, либо в колебательную энергию матрицы – резонансы инфракрасной области, обусловленные колебаниями самих атомов решетки.

В чистом кварце собственные резонансные поглощения соответствуют длинам волн мкм в ультрафиолетовом диапазоне и мкм – в инфракрасном диапазоне. Как видно из рисунка 2.7 «хвост» собственного инфракрасного поглощения не позволяет использовать кварцевое волокно на длинах волн больше 1, 6мкм, так как оптическое волокно из кварца становится непрозрачным из-за роста потерь. Количественно эти потери могут быть оценены:

где и - постоянные коэффициенты, равные для кварца

Ультрафиолетовое поглощение определяет затухание в рабочем диапазоне, линейно растет с частотой и существенно зависит от свойств материала световода . Величина определяется:

где - показатель преломления сердцевины ОВ;

- тангенс угла диэлектрических потерь материала сердцевины ОВ, принимающий значение в диапазоне от ;

- длина волны, км.

Как видно из формулы эта составляющая поглощения линейно растет с частотой при постоянном значении .

Во втором и третьем окнах прозрачности в диапазоне длинных волн

мкм потери, вызванные собственным поглощением, имеют порядок .

Рисунок 2.7

 

Релеевское рассеяние обусловлено существованием мелкомасштабных (по сравнению с длиной волны излучения) флуктуаций плотности или химического состава вещества. Эти флуктуации являются следствием неравновесных состояний, возникающих в волокне в момент стеклования. Результирующие неоднородности вызывают почти изотропное релеевское рассеяние, приводящее к затуханию, коэффициент которого совпадает как . Поэтому, чем больше длина волны, выбранная для работы, тем меньше будет влияние релеевского рассеяния на общее затухание сигнала в волокне.

Потери на рассеяние определяется соотношением:

где - коэффициент рассеяния, равный для кварца 0, 8 ;

- длина волны, мкм.

Для расчетов используется формула:

,

 

где К = 1, 38·10 ^-23 Дж/К – постоянная Больцмана

Т – температура перехода стекла в твердую фазу (1500⁰К)

c - коэффициент сжимаемости (8, 1·10 ^-11 м²/н)

n₁ – показатель преломления сердцевины волокна (1, 48…1, 5)

l - длина волны, мкм.

Потери на релеевское рассеяние определяют нижний предел потерь, присущих волоконным световодам. Этот предел различен для различных длин волн.

Примесное поглощение вызывается поглощением фотонов примесями. Примеси в виде ионов металлов, таких, как вызывают сильное поглощение на длинах волн в диапазоне мкм. Для того чтобы уровень потерь был ниже, количество примесей должно быть менее одной части на миллиард. Современная технология позволяет получить кварц такой высокой чистоты.

Основной причиной примесного поглощения в современных волокнах является наличие молекул воды. При взаимодействии с матрицей кварца молекула воды диссоциирует с образованием ионов водорода и гидроксильной группы . Центральная длина волны колебательной полосы поглощения ионов равна 2, 73мкм. Гармоники и комбинационные частоты с кварцевой матрицей вызывают сильные поглощения на длинах волн 0, 95; 1, 24; 1, 39мкм и пики, расположенные поблизости от этих длин волн говорят о наличии в матрице кварцевого стекла молекул воды. Даже наличие одной части на миллион может привести на длине волны 1, 39мкм к потерям 59дБ/км. Для того чтобы получить волокно с низкими потерями, концентрацию - ионов нужно снизить до уровня ниже . Наибольший интерес для целей передачи информации представляет световое излучение с длинами волн 0, 85; 1, 31 и 1, 55мкм, поскольку эти длины волн расположены между зонами поглощения, то затухание минимально. Области вокруг приведенных длин волн называется первым, вторым и третьим окнами прозрачности.

Собственные потери могут вызываться и такими легирующими присадками, как используемыми при изготовлении волокна для изменения показателя преломления кварцевого стекла.

В настоящее время проводятся работы по созданию оптических световодов для длинноволновой инфракрасной области на основе материалов, отличных от кварца. Так в световодах из поликристалла бромистого и бромиодистого талия на длинах волн мкм получено затухание .

Дополнительные потери в оптических кабелях обусловлены деформацией оптических волокон в процессе изготовления кабеля, скруткой, изгибами волокон и технологическими неоднородностями в процессе изготовления волокна.

Микроизгибы представляют собой мелкие локальные (сравнимые с диаметром волокна) нарушения прямолинейности волокна. Они обусловлены конструктивно-технологическими неоднородностями, возникающими при изготовлении как кабеля, так и самого волокна.

Макроизгибы обусловлены скруткой оптических волокон по длине кабеля, а также наличием изгибов и нерегулярностей по длине кабеля. Здесь радиус изгиба значительно больше диаметра волокна.

Потери в защитной оболочке характеризуются тем, что при полном внутреннем отражении часть энергии просачивается во внешнее пространство, окружающее световод и затухает по экспоненциальному закону. Эта энергия достигает защитной оболочки и поглощается ею. Такое проникновение называется туннельным эффектом.

Потери термомеханического характера обусловлены различием в температурных коэффициентах удлинения стекла и материалов оболочки, в силу чего появляются внутренние напряжения. Сюда же относятся механические воздействия, на волокно возникающие при изготовлении кабеля.

При соблюдении норм технологического процесса изготовления волокна и кабелей доминируют потери на микроизгибе. Потери на макроизгибы и в защитных оболочках сравнительно невелики. Кроме этого надо учитывать потери, вносимые монтажом оптических кабелей (сросток ОВ дает потери не более ).

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: