4.1. Общая функция и классификация затуханий в оптических кабелях
4.2.1. Затухания из-за поглощения энергии в материале оптического волокна
4.3. Дополнительные кабельные затухания
4.4. Методы измерения затухания
4.1. Общая функция и классификация затуханий в оптических кабелях
При распространении оптического сигнала внутри волокна происходит его экспоненциальное затухание, вызываемое потерей мощности Р и обусловленное различными линейными и нелинейными механизмами взаимодействия световых волн/частиц со средой волокна. Если Р0 – мощность, вводимая в волоконный световод длиной L, прошедшая мощность РL определяется выражением
(4.1.1)
где Р0 – мощность, вводимая в волокно;
L – длина волокна;
aпз – постоянная затухания волокна.
Используя эту формулу, можно получить выражения для оценки общих и удельных километрических потерь соответственно
, [дБ], (4.1.2)
, [дБ/км]. (4.1.3)
Удельные или километрические потери, определяемые по формуле (4.1.3) и имеющие размерность [дБ/км], часто называют коэффициентом затухания ОВ.
Следует отметить, что значения затуханий, выраженные в децибелах, имеют отрицательные значения. В волоконной оптике обычной практикой является опускание отрицательного знака и оперирование с затуханием, скажем в 6 дБ. В действительности затухание равно –6 дБ. Эта величина получается из решений уравнений (4.1.2) и (4.1.3). Но в речи и даже в сводных таблицах результатов измерений отрицательный знак опускается, не приводя к существенной неопределенности. Неопределенности могут возникнуть из-за того, что некоторые уравнения адаптированы с учетом отрицательной величины затухания.
Затухания в общем понимании обусловлены собственными потерями в ОВ ac и дополнительными потерями, так называемым кабельными, aк обусловленными скруткой, а также деформацией и изгибами оптических волокон при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля:
a = aс + aк . (4.1.4)
Собственные потери волоконного световода состоят из потерь поглощения aп и потерь рассеяния aр:
a = aп + aр . (4.1.5)
Источники потерь, отнесенные к этой категории, являются постоянными для того или иного типа волокна, они определяются совершенством технологии производства волокна, и, как показывает опыт эксплуатации волоконно-оптических кабелей, километрическое затухание в ОВ не изменяется в течении длительных (приблизительно 10 лет) сроков.
Потери, возникающие при распространении сигнала по волоконному световоду, объясняются тем, что часть мощности, поступающей на вход световода, рассеивается вследствие изменения направления распространения лучей на нерегулярностях и их высвечивания в окружающее пространство (aр), другая часть мощности поглощается как самими молекулами кварца (aпм), так и посторонними примесями (aпп), выделяясь в виде джоулева тепла. Примесями могут являться ионы металла (никель, железо, кобальт и др.) и гидроксильные группы (ОН), приводящие к появлению резонансных всплесков затухания. В результате суммарные потери определяются выражением:
a = aпм+ aпп+ aр+ aк . (4.1.6)
Описанная выше классификация затуханий в оптическом кабеле представлена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 – Классификация затуханий в оптическом кабеле
4.2. Собственные затухания
Механизм основных потерь, возникающих при распространении по ОВ электромагнитной энергии, иллюстрируется на рисунке 4.2 [10].
Рисунок 4.2 – Механизмы основных потерь в световодах:
aр – рассеяние на нерегулярностях;
aпп – поглощение из-за примесей;
aпм – поглощение в материале волокна.
4.2.1. Затухания из-за поглощения энергии в материале оптического волокна
Потери на поглощение состоят из собственного поглощения и поглощения из-за наличия в стекле ионов металлов переходной группы Fe2+, Cu2+, Cr3+ и ионов гидроксильной группы ОН. Собственное поглощение проявляется при идеальной структуре материала. Механизм этих потерь связан с поведением диэлектрика в электрическом поле (диэлектрической поляризацией). В диапазоне рабочих частот ВОСП количественно они могут быть оценены по формуле [11]
, дБ/км, (4.2.1)
где n1 – показатель преломления сердцевины ОВ;
tgd – тангенс угла диэлектрических потерь материала сердцевины ОВ, принимающий значения в диапазоне от 10-12 до 2×10-11;
l – длина волны, км.
Как видно из формулы эта составляющая поглощения линейно растет с частотой и существенно зависит от свойств материала оптического волокна (tgd). Она характеризует нижний предел поглощения для данного диэлектрика и становится значимой в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. При длине волны излучения выше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным из-за роста потерь, пропорциональных показательной функции и уменьшающихся с ростом частоты по закону [11]:
, дБ/км, (4.2.2)
где с и k – постоянные коэффициенты (для кварца k=(0,7¸0,9)×10-6 м, с=0,9).
Примесное поглощение для разных стекол, в зависимости от валентного состояния, изменяется. Так ионы металлов переходной группы, присутствующие в стекле, имеют электронные переходы в области длин волн (0,5¸1,0) мкм и вызывают соответствующие полосы поглощения. Пики поглощения за счет ионов металлов очень широкие.
Другой существенной в отношении поглощения примесью является вода, присутствующая в виде ионов ОН—. На содержание ионов ОН— в стекле влияет процесс его изготовления. Ей соответствует ярко выраженный максимум поглощения в районе длины волны 1480 нм. Он присутствует всегда. Поэтому область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется. Тем не менее, следует отметить, что уже к 1970 году изготавливаемое оптическое волокно становится настолько чистым (99,9999%), что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. Дальнейшему уменьшению затухания препятствует так называемое Рэлеевское рассеяние света.
4.2.2. Затухания из-за Рэлеевского рассеяния света
Затухания вследствие рассеяния вызываются несколькими механизмами. Во всех оптически прозрачных веществах свет рассеивается в результате флуктуаций показателя преломления в свою очередь возникших вследствие тепловых флуктуаций в жидкой фазе и «замороженных» при затвердевании. Показатель затухания, обусловленного рассеянием, может быть найден из выражения [10]
, (4.2.3)
где k=1,38×10-23 Дж/К – постоянная Больцмана;
Т=1500 К – температура затвердевания стекла при вытяжке;
b =8,1×10-11 м2/Н – коэффициент сжижаемости (для кварца);
n1 – показатель преломления сердцевины.
Такое рассеяние является Рэлеевским. Оно обратно четвертой степени длины волны и характерно для неоднородностей, размеры которых менее длины волны, а расстояние между которыми достаточно велико, чтобы явления взаимодействия были исключены. Из выражения (4.2.3) также следует, что затухание вследствие рассеяния на флуктуациях растет с увеличением показателя преломления.
Кроме флуктуаций плотности, существенными являются также флуктуации концентраций окислов. Добавляемые в стекло окислы обычно повышают показатель преломления, поэтому неоднородность концентрации создает большие флуктуации.
Причиной рассеяния может быть также ликвационная неоднородность материала. В результате недостаточного перемешивания и выдержки при необходимой температуре в процессе варки стекла могут возникнуть области фазовых разделений компонентов. Эта причина принципиально может быть устранена качественным процессом варки, в то время как эффект тепловых флуктуаций неустраним.
Суммарные потери на Рэлеевское рассеяние зависят от длины волны волны по закону λ-4 и количественно могут быть оценены по формуле [11]
, дБ/км, (4.2.4).
где Кр – коэффициент рассеяния, для кварца равный 0,8 [(мкм4· дБ)/км];
λ – длина волны, мкм.
Рассеяния рассмотренных видов не связаны с нелинейными процессами. При достаточно больших мощностях могут возникнуть нелинейные процессы, при которых параметры материала изменяются в зависимости от величины мощности, распространяющейся в данном материале. В результате может появиться вынужденное комбинационное рассеяние, направленное в сторону распространения электромагнитной энергии. Другой причиной нелинейного рассеяния может являться вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Это явление вызвано тем, что когда мощность выше некоторого порога нелинейные процессы приводят к переходу мощности первичных волн в излучение других длин волн. Этот вид излучения в основном направлен назад.
На рисунке 4.3 представлены типовые зависимости основных составляющих потерь от длины волны, за исключением дополнительных кабельных потерь αк, которые всегда приводят к увеличению затухания ОВ и зависят от многих факторов. Как видно из графика, Рэлеевское рассеяние αр ограничивает нижний предел потерь в левой части, а инфракрасное поглощение αик – в правой.
Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерями вследствие Рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения.
Внутренние потери хорошо интерполируются формулой [24]
, (4.2.5)
где 
отражает пик поглощения на примесях ОН с максимумом при 1480 нм, а первое и последнее слагаемые соответствуют Рэлеевскому рассеянию и инфракрасному поглощению соответственно (Kрел = 0,8 мкм4·дБ/км; С = 0,9 дБ/км; k = 0,7-0,9 мкм; данные приведены для кварца).
На рисунке 4.4 приводится общий вид спектральной зависимости собственных потерь с указанием характерных значений четырех основных параметров (минимумов затухания в трех окнах прозрачности 850, 1300 и 1550 нм, и пика поглощения на длине волны 1480 нм) для современных одномодовых и многомодовых волокон [24].
