9.1.5. Основные характеристики оптических потерь волокна

9.1.5.1. Общая функция потерь

При распространении оптического сигнала внутри волокна происходит его экспоненциальное за­тухание, вызванное потерей мощности Р и обусловленное различными линейными и нелинейны­ми механизмами взаимодействия световых волн/частиц со средой волокна. Основными из них яв­ляются механизмы поглощения и рассеяния. Закон изменения затухания по длине волновода имеет общий вид:

(9-11)

где Р_о - мощность, вводимая в волокно, L - длина волокна, а - постоянная затухания, или по­тери в волокне. Используя эту формулу, можно получить выражение для оценки удельных по­терь а_у„ в дБ/км [168]:

(9-12)

Типичный характер зависимости удельных потерь от длины волны (в диапазоне волн, ис­пользуемых для ВОЛС: 0,7-1,6 мкм) и типа волокна приведен на рис. 9-3 [170].

Характер зависимости общей функции потерь можно представить в виде компози-

ции трех основных составляющих:

(9-13)

Первая составляющая а_рр характеризует потери от релеевского рассеяния, вторая а,,,, - по­тери от поглощения примесями, третья а_м„ - потери от изгибов и других механических микро и макропричин.

9.1.5.2. Релеевское рассеяние

Из характеристики (рис. 9-3) видно, что ассимптотически в заданном диапазоне потери умень­шаются с ростом длины волны (пунктирная кривая), подчиняясь в основном закону релеевского рассеяния. Этот фактор обусловлен рассеянием света на случайных изменениях плотности ве­щества (стекла), вызванных примесями в процессе изготовления. Закономерность его изменения имеет вид

(9-14) где постоянная С_рр = 0,7 - 0,9 [(мкм⁴-дБ)/км] и зависит от материала оптоволокна.

9.1.5.3. Поглощение примесей

Другим характерным видом потерь, имеющим резонансный характер и оказывающим влияние на вид представленных кривых, является поглощение примесей в кварце - основном материале для изготовления оптоволокна. Поглощение самого кварца в этой области невелико. Поглощением на примеси гидроксильных групп ОН" в основном определяются пики потерь в области длин волн 1383, 1240, 1130, 950, 875, 825 и 725 нм [170]. Приводимая в справочниках [33] формула потерь

(9-15)

где коэффициент - тангенс угла диэлектрических потерь, объясняет только

тенденцию изменения и не может служить точной мерой потерь на поглощение.

На практике этот тип потерь существенно зависит от технологии изготовления ОВ и имеет тенденцию к снижению. Так, например, на длине волны 1383 нм этот пик для современного ОМ ОВ составляет у большинства компаний 0,4-0,6 дБ/км, а для специального волокна (например, AllWave компании Lucent Technologies) уменьшается до величины 0,31 дБ.км (см. ниже), форми­руя практически гладкую кривую затухания в диапазоне 1300-1620 нм, близкую к кривой релеев-ского рассеяния.

9.1.5.4. Потери на изгибах и макронеоднородностях

Другими факторами, которые вносят вклад в общие потери, могут быть потери, вызванные меха­ническими, конструктивными и эксплуатационными факторами при использования волокна, а именно:

• потери, вызванные различными дефектами при соединении волокон:

• несогласованностью размеров сердцевины волокон и ее эксцентриситетом,

• различием профилей показателей преломления волокон,

• несоосностью и скрещиванием продольных осей при соединении волокон,

• различием апертур волокон,

• неплоскостностью и плохой обработкой торцев волокон,

- неплотным соединением концов с образованием воздушной прослойки (потери на френелев-ское отражение),

• потери, вызванные микро- и макроизгибами волокна,

• потери, вызванные рассеянием на границе между сердцевиной и оболочкой. Соответствующие формулы для приблизительного расчета этих потерь можно найти в [170].

Характер зависимости наиболее важной составляющей этих потерь - потерь от рассеяния на микроизгибах а_мн - имеет вид

(9-16)

где С_м„ - постоянная потерь на микроизгибах.

Представленные кривые потерь и позволили исторически выделить три предпочтительных диапазона длин волн, или три окна, (для практического использования стандартного ОВ в ВОЛС) с центрами в точках: 850 (1 окно), 1300 (2 окно) и 1550 нм (3 окно). Затем 3 окно было расширено в ИК область (вплоть до 1620 нм) за счет появления 4 окна и было сформировано 5 окно (между вторым и третьим окнами) для целей широкополосных систем DWDM (см. ниже).

9.1.6. Основные характеристики искажений оптического сигнала

Оптический сигнал, распространяясь по волокну, не только затухает, но и искажается благодаря наличию естественной дисперсии различного рода (линейные искажения), вызывающей уши-

рение импульсов, а также нелинейных эффектов, основные из которых вызваны нелинейным преломлением и генерацией третьей гармоники (нелинейные искажения).