2.3.2. Потери излучения в световодах из кварцевых стекол

Потери в световодах имеют различные причины, и к ним относятся следующие:

Потери из-за собственного поглощения (коэффициент поглощения _сп). Механизм этих потерь связан с поведением диэлектрика с идеальной структурой в электромагнитном поле. В случае двуокиси кремния SiO₂ существуют резонансы в УФ-области спектра (λ<0,4 мкм), связанные с электронными структурами атомов и резонансы в ИК-области (λ>7 мкм), обусловленные колебаниями самих атомов в решетке. Поскольку двуокись кремния аморфна, то эти резонансы существуют в виде полос поглощения, хвосты которых простираются в область видимого спектра.

Для кварцевого стекла существуют окна прозрачности (рис.2.5), которые являются рабочими диапазонами длин волн для оптических систем передачи информации:

–0,820900 мкм - 1-е окно,

–1,2801350 мкм - 2-е окно,

–1,5281561 мкм - 3-е окно.

В современных качественных оптических волокнах в 1-м окне прозрачности собственные потери составляют 2,3…2,5 дБ/км (за счет релеевского рассеяния). Во 2-м окне прозрачности потери составляют 0,5…0,6 дБ/км. В 3-м окне прозрачности потери составляют 0,18…0,25 дБ/км.

Рис.2.5. Окна прозрачности световодов из кварцевого стекла

Потери из-за поглощения, вызванного наличием примеси, с коэффициентом поглощения _пр обусловлено главным образом наличием ионов металлов переходной группы: железа, меди, никеля, магния, хрома. В современном производстве оптоволокон содержимое этих металлов было снижено до величин менее одной миллиардной части, поэтому они дают очень малый вклад в потери. Более существенные потери вызывает вода, присутствующая в виде ионов ОН. Ей соответствуют полосы поглощения вблизи 1390 нм, 1240 нм и 950 нм. Даже такая малая концентрация ОН как одна миллионная часть, способна вызвать потери 50 дБ/км в районе «водяного пика» 1390 нм.

Потери из-за рассеяния излучения, с коэффициентом поглощения _Р .

Существует ряд механизмов рассеяния, которые вызывают потери (мы о них говорили выше) : рэлеевское рассеяние, так называемое Ми-рассеяние, вынужденное комбинационное рассеяние, рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.

Рэлеевское рассеяние обусловлено тепловыми флуктуациями на интервалах меньших длины волны. Ми-рассеяние происходит на неоднородностях сравнимых по размеру с длиной волны. Вынужденное комбинационное рассеяние и рассеяние Мандельштама–Бриллюэна связаны с нелинейными эффектами. Их влияние сказывается, начиная с некоторого порогового значения мощности излучения, при котором нелинейное взаимодействие между распространяющейся волной и материалом приводит к перекачке мощности первоначальной волны в излучения с другими длинами волн. При передаче сигналов на большие расстояния эти нелинейные эффекты определяют верхний предел уровня мощности, которая может быть передана по каналу связи. Коэффициент поглощения определяется формулой

_Р =К_Р /λ⁴ , (2.11)

где К_Р – коэффициент рассеяния, который для кварца равен

0,8 мкм⁴ ∙дБ/км, [13].

Дополнительные потери за счет несовершенства оптического волокна, помещенного в кабель (коэффициент поглощения _к)_..

Эти потери возникают за счет скрутки, деформации, микроизгибов при изготовлении оптического кабеля. Обычно их называют кабельными.

Существуют еще потери _отр за счет неполноты отражения от боковых направляющих поверхностей волокна при распространении излучения (неполного внутреннего отражения). Они зависят от качества поверхности раздела сердцевины и оболочки. Эти потери могут быть весомыми при большой длине оптического волокна и соответственно большом числе отражений.

Таким образом, общий коэффициент затухания на больших дистанциях будет определяться суммой значений рассмотренных потерь

 = _сп + _пр + _Р + _к +_отр. (2.12)

Конический пучок лучей, падающий на входной торец волокна, дифрагирует на нем и возбуждает внутри сердцевины и в оболочке дискретный набор отдельных типов волн. Чем меньше размеры d по сравнению с , тем меньшее число типов волн может распространяться в волокне. Таким образом, волокна могут быть одномодовыми (d ) и многомодовыми (d) (см. ниже).

Одним из важнейших обобщающих параметров, используемых для оценки свойств оптических волокон (волоконных световодов) является нормированная частота , определяемая по формуле:

, (2.13)

где R_c ¬ радиус сердцевины волокна, λ ¬ длина волны, ¬ числовая апертура.

Число мод при >>1 оценивается по формулам

для ступенчатого волокна; для градиентного волокна.

При <2,405 в волоконном световоде распространяется только одна, основная мода типа НЕ₁₁ , т.е. будет реализован одномодовый режим. Благодаря этому устраняется модовая дисперсия и такое волокно обладает наиболее высокой информационно-пропускной способностью.

В заключение этого раздела следует отметить, что оптические волокна являются наиболее важным пассивным элементом многих современных оптоэлектронных устройств и систем. На основе оптических волокон создают разветвители, поляризаторы, мультиплексоры и демультиплексоры, являющиеся составными частями оптоэлектронных устройств и систем. Оптические волокна используют также, как сенсорные элементы волоконно-оптические датчиков.