2.16.2 Потери, связанные с рэлеевским рассеянием света в стекловолокне

В стекле, при любой температуре Т ¹ 0, присутствуют фононы – тепловые колебания ионов в узлах структуры. Наличие фононов приводят к незначительным изменениям механической плотности r на величину Dr. Изменения Dr вызывают изменения АПП на величину Dn. Величина Dn пропорциональна амплитуде X₀ смещения ионов в узлах структуры стекла. Согласно экспериментальным данным, X₀ << l, где l - длина световой волны в стекле.

В разделе 2.12 было показано, что любое изменение АПП приводит к рефракции света. В рассматриваемом случае изменение Dn за счет фононов происходит беспорядочно, случайно. Следовательно, беспорядочна и микрорефракция света. Такую рефракцию называют рэлеевским рассеянием. Рэлеем было показано, что взаимосвязь интенсивности рассеянного света J с интенсивностью нерассеянного света J₀может быть представлена в виде:

(2.50)

Где a – коэффициент пропорциональности, зависящий от типа структуры стекла, типа связей между ионами, наличия примесей, температуры. Анализ формулы (2.50) показывает, что использование СВ на длинах волн l < 0,85мкм в магистральных трактах волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) практически исключено в настоящее время и допустимо для l ³ 0,85мкм.

2.16.3 Потери, обусловленные наличием гидроксильных групп о-н, в стекловолокнах [11, c.79]

К особо опасным примесям следует отнести гидроксильную группу (О-Н), которая способна внедряться в СВ в процессе его роста как из расплава, так и из газовой фазы. Группа (О-Н) образуется из паров H₂O, которые всегда находятся в воздухе. При высоких температурах роста СВ, молекула H₂O теряет один ион водорода и превращается в гидроксильную группу. Группа (О-Н), внедряясь в СВ, обладает собственными частотами поглощения, соответствующими длинам волн 1,39 – 1,24 – 1,13 – 0,95 – 0,88 – 0,72 мкм. Группы (О-Н) способны вызывать поглощения света в СВ до 1ДБ/км и более. Способы борьбы с гидроксильными группами (О-Н) очевидны: совершенствования чистоты технологии производства СВ.

2.16.4 Совместное влияние материальной дисперсии, рэлеевского рассеяния и примесей на затухание импульсных сигналов в стекловолокнах

Анализ потерь, рассмотренных в разделах 2.16.1 ¸ 2.16.3 показывает, что собственные резонансные частоты SiO₂, примесей и гидроксильных групп (О-Н) оставляют для СВ лишь несколько “окон” прозрачности, при их использовании в магистральных трактах ВОЛС [11, c.92]. Типичными из них являются длины волн в окрестности 0.85, 1.31, 1.55 мкм, показанные на рисунке 2.26, где К(l) – коэффициент суммарных потерь в условных единицах, l - длина волны.

Рисунок 2.26 – “Окна “ прозрачности в СВ на основе SiO₂, легированного примесями : l₁ = 0,85 мкм, l₂ = 1,31 мкм, l₃ = 1,55 мкм.

2.16.5 Комбинационное рассеяние света

В 1928г. Раманом и независимо Ландсбергом был открыт эффект возникновения излучения света с частотами u₀ – Du, u₀ + Du, при условии введения в диэлектрик излучения с частотой u₀ и отсутствии какого - либо другого внешнего воздействия.

Поскольку, в результате указанного явления, в диэлектрике вместо волны с частотой u₀ оказались три волны с частотами u₀, u₀ – Du, u₀ + Du, открытый авторами эффект получил название комбинационного рассеяния света. Природа комбинационного рассеяния заключается в фотон – фононном воздействии. Максимальная энергия фонона в твердом теле (и, в том числе, в СВ) определяется выражением [ 12, c. 62 – 121]

(2.51)

где k – постоянная Больцмана, , КQ – характеристическая температура Дэбая, h – постоянная Планка, p - число ионов, образующих устойчивую связь (в SiO₂, p = 3), М - масса киломоля диэлектрика (в SiO₂, M = 60),r - плотность диэлектрика, Е – модуль Юнга, N = 6,022×10²⁶ – число Авогардо.

По закону сохранения энергии и согласно (2.51): максимальное изменение частоты фотона , при комбинационном рассеянии

(2.52)

Очевидно, что при комбинационном рассеянии света, максимальная частота фотонов

, (2.53)

а минимальная

(2.54)

Оптическое излучение с частотами типа (2.53) получило название “фиолетовых” спутников (относительно u₀), излучение типа (2.54) называют “красными“ спутниками. Очевидно, что комбинированное рассеяние ослабляет основной сигнал частоты u₀ и ухудшает монохроматичность излучения. Потери за счет комбинационного рассеяния значительно меньше потерь за счет рэлеевского рассеяния и материальной дисперсии.