39. Втрати однорідних волоконних світловодів.

Затухание

Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в во­локне, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками или повтори­телями.

Рис. 2.6. Основные типы потерь в волокне

Полное затухание в волокне (измеряется в дБ/км) определяется в виде суммы:

(2-12)

Потери на поглощении состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение), так и из потерь, связанных с поглощением света на примесях. 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. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появле­нию пиков на кривой потерь, рис. 2.7. Следует отметить характерный максимум в районе длины волны 1480 нм, который соответствует примесям ОН". Этот пик присутствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется.

Собственные потери на поглощении растут и становятся значимыми в ультрафиолето­вой и инфракрасной областях. При длине волны излучения выше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным из-за роста потерь, связанных с инфракрасным поглощени­ем, рис. 2.7.

Потери на рассеянии . На длине волны 800 нм затухание составило 1,5 дБ/км. Даль­нейшему уменьшению затухания препятствует так называемое рэлеевское рассеяние света. Рэлеевское рассеяние вызвано наличием неоднородностей микроскопического масштаба в волокне. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях. В ре­зультате часть его теряется в оболочке. Эти неоднородности неизбежно появляются во время изготовления волокна.

Кабельные (радиационные) потери обусловлены скруткой, деформациями и изги­бами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек, производства кабеля, а так же в процессе инсталляции ВОК. При соблюдении ТУ на прокладку кабеля но­минальный вклад со стороны радиационных потерь составляет не больше 20% от полного за­тухания. Дополнительные радиационные потери появляются, если радиус изгиба кабеля ста­новится меньше минимального радиуса изгиба, указанного в спецификации на ВОК.

Дисперсия:

40. Втрати на згибах волоконних світоводів.

Зависимость потерь от диаметра петельки (одиночной) в одномодовом во­локне, измеренная на λ= 1300 нм, приведена на рис. 1.4. При боль­ших значениях диаметров петельки потери не зависят от ее диамет­ра. Однако когда диаметр петельки уменьшается до критического зна­чения (10...20 мм), потери начинают быстро увеличиваться.

Потери при изгибании волокна возникают по двум причинам. Во-первых, потери возникают в месте соединения прямого и изогнутого волокна. Обусловлены они тем, что в изогнутом волокне центр модового пятна смещен относительно оси волокна на некую величину d, зависящую от радиуса изгиба волокна (рис. 1.5). В результате модовые пятна прямого и изогнутого волокна в месте их соединения оказываются смещенными друг относительно друга также на величи­ну d. Поэтому только часть мощности моды «прямого» волокна передается моде изогнутого волокна, а остальная же мощ­ность преобразуется в оболочечные моды и в конечном счете теря­ется.

Во-вторых, мощность теряется и непосредственно в изогнутом во­локне. Происходит это из-за того, что в изогнутом волокне периферийная часть моды распространяется со скоростью больше скорости света в среде (в оболочке). Эта часть моды излучается в оболочку во­локна и в конечном счете теряется (рис. 1.6). Величина этих потерь тем больше, чем больше число витков волокна и чем меньше ради­ус изгиба волокна.

Таким образом, потери в изогнутом волокне возникают из-за двух различных механизмов. В первом случае потери зависят только от ра­диуса изгиба волокна и не зависят от числа витков. А во втором слу­чае они зависят и от радиуса изгиба, и от числа витков.

Рис. 1.4 Рис. 1.5 Рис.1.6

Световоды на изгибах теряют мощность на излучение. Это приводит к дополнительным потерям, которые могут быть малы, если радиус кривизны изгиба достаточно велик.

Рассмотрим основные физические принципы, объясняющие по­явление потерь при изгибе световода. Как известно, часть мощ­ности, передаваемой по световоду, распространяется вне области сердечника. Если рабочая частота далека от частоты отсечки мо­ды, то эта же часть мощности будет очень малой. Электромагнит­ное поле вне сердечника спадает по экспоненциальному закону в поперечном направлении от оси световода. Но даже на значи­тельных расстояниях от световода имеет место малое, по конечное значение мощности излучения.

На рис. 2.19 схематически показан изогнутый участок светово­да, где штриховые линии являются плоскостями постоянной фа­зы. Скорость распространения волны на этом участке меньше скорости плоских волн в среде, окружающей сердечник. Можно изобразить движение фазовых фронтов изогнутого участка свето­вода так, как если бы их плоскости пересекались в центре кри­визны и вращались вокруг этого центра. Естественно, что ско­рость движения фазового фронта на топ границе световода, ко­торая ближе к центру кривизны, будет меньше фазовой скорости моды в прямом волноводе, а по другую границу световода • больше и по мере увеличения расстояния от центра кривизны фа­зовая скорость возрастает. На некотором расстоянии от центра кривизны скорость фазового фронта будет равняться скорости плоской волны в среде, окружающей световод. Так как электро­магнитная волна не может распространяться со скоростью, пре­вышающей скорость плоской волны в окружающей среде, то эта часть поля отделяется от ноля направляемой моды и излучается в окружающее пространство. Таким образом, изгибы световодов вызывают увеличение электромагнитной связи между направляе­мыми модами и модами излучения, изменяя модовое распределе­ние, в результате чего увеличиваются потери на излучение.

Для оценки потерь аи, дБ, па изгибе радиуса R в многомодо-вом световоде можно воспользоваться приближенной формулой

где g=1 и 2 для световодов со степенным и ступенчатым профи­лями показателя преломления соответственно. Так, при 2а = 50

и дельта=0,01 и R =22 см получаем ан=0,1 и 0,2 дБ для светово-дов со степенным ступенчатым профилями показателя преломления

В процессе покрытия световода различными защитными обо-дочками, а также при изготовлении и прокладке оптических ка-белей возникают малые отклонения оси световода от прямой ли-линии, которые называют микроизгибами.

Потреи альфа дБ, вызванные хаотическими изгибами с экспонеп-поненциальной корреляционной функцией

Кабельные потери существенно зависят от при­нятой технологии производства, конструкции кабеля и качества из­готовления. Их можно классифицировать примерно по следующей схеме:

1 — вследствие микроизгибов оптических волокон;

2— вследствие макроизгибов волокон и других нарушений их прямолинейности;

Микроизгибы (рис. 2.16, а) представляют собой мелкие локаль­ные нарушения прямолинейности волокна, характеризующие сме­щение его оси в поперечных направлениях на участке микроизгиба. Микроизгибы обусловлены конструктивно-технологическими неоднородностями, возникающими при изготовлении как кабеля, так и самого волокна и в процессе его хранения и транспортировки. Дополнительное затухание за счет потерь при микроизгибах определяется формулой, дБ,

где h — высота (радиус) микроизгиба; —радиус сердечник световода; b — диаметр световода; N — число микроизгибов. При достаточно хорошо отработанной технологии производства оптических кабелей потери на микроизгибы сравнительно невелики.

Макроизгибы (рис. 2.16,б) обусловлены скруткой оптических волокон по длине кабеля, а также наличием изгибов и нерегулярностей по длине кабеля. Здесь радиус изгиба существенно больше диаметра волокна. Дополнительное затухание за счет потерь на макроизгибах может быть определено по формуле, дБ,

где R = Rиз/(2а), Rиз — радиус изгиба кабеля; а — радиус сердечника волокна; n1,n2 — показатели преломления сердечника и оболочки волокна.