1.4.3. Составляющие потерь в оптических волокнах

В общем случае, потери в оптических волокнах складываются из собственных потерь в волоконных световодах αс и дополнительных потерь, т.н. кабельных αr обусловленных скруткой, а так же деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля (рис 1.19).

Рис 1.19 Некоторые составляющие затухания оптических волокон

Собственные потери оптических волокон состоят из потерь поглощения αп и потерь рассеяния αр, а также потерь на поглощение, обусловленных присутствующими в световодах примесями αпр и потерь на поглощение в инфракрасной области αик [48]

(1.22)

где αс- собственные потери;

αк- кабельные потери;

αп- потери на поглощение;

αр- потери на рассеяние;

αпр- потери на поглощение, обусловленные примесями;

αк – кабельные потери;

αик – потери на поглощение в инфракрасной области.

1.4.4. Потери Рэлеевского рассеяния

Потери Рэлеевского рассеяния обусловлены тепловой флуктацией показателя преломления и неоднородностями материала световода, расстояние между которыми меньше длины волны. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях, в результате часть его теряется в оболочке. Величина потерь на рассеяние αр, дБ/км, определяется по следующей формуле [48, 49].

(1.23)

где kр – коэффициент Рэлеевского рассеяния, для кварца равный примерно (0,8 мкмдБ)/км.

Потери на Рэлеевском рассеянии определяют нижний предел собственного затухания, соответствующий длине волны 1550 нм, и сильнее проявляются в области коротких длин волн.

Коэффициент Рэлеевского рассеяния зависит от режима тепловой обработки заготовки и уменьшается при снижении температуры вытяжки волокна. Таким образом, при уменьшении температуры вытяжки до 1800˚С и скорости вытяжки до 1 м/с потери в оптических волокнах с легированной GeO2 сердцевиной удалось уменьшить до 0,16 дБ/км и 0,29 дБ/км на динах волн 1550 и 1310 нм, соответсвенно.

Дальнейшее уменьшение затухания может быть получено в оптических волокнах с так называемой депрессированной оболочкой. В световодах такого типа потери αр снижаются за счет уменьшения степени легирования серцевины. Также уменьшаются потери, возникающие из-за дефектов, появляющихся при вытяжки волокна, т.к. серцевина и оболочка согласованы по вязкости.

1.4.5. Потери на поглощение

Потери на поглощение состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение) αп так и из потерь, связанных с поглощением на примесях αпр.

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. Затухания поглощения определяется соотношением [48, 49]

(1.24)

Где tgδ- тангенс угла диэлектрических потерь в световоде.

Тем не менее, уже к 1990 г. оптические волокна становятся настолько чистыми (99,9999%), что наличие примесей перестает быть основным фактором затухания. Спектральная характеристика затухания α(λ) сглаживается (рис 1.18), при этом проявляются локальные максимумы резонанса поглощения на гидроксальной группе ОН¯ (длины волн 1290 и 1383 нм).

Однако в последних разработках одномодовах оптических волокон за счет улучшения технологии очистки от водяных паров удалось снизить потери и в «водяном» пике. Подобные волокна получили название LWPF (Low Water Peak Fiber), при этом потери в области λ=1380±3 нм снижены до 0,31 дБ/км, что меньше, чем потери во втором окне прозрачности.

В таблице 1.6. приведены ведущие производители оптических волокон и соответствующие торговые марки волокон LWPF. а на pис. 1.20 приведены спектральные характеристики коэффициента затухания.

Таблица 1.6.
Производитель	LWPF
Coming"	SMF-28eIM
Alcatel	6901
Optical Fiber Solutions (OFS)	Allwave
Sumitomo Electric Industries Ltd.	PureBand,M
Yangtze Optical Fibre and Cable (YOFC)	268WY
Pirelli	SMR

В качестве примера на рис. 1.20 приведены спектральные характеристики одномодовых оптических волокон Corning®: (а) волокно SMI 28™ с «водяным пиком» - в настоящее время снято с производств, (б) LWPF волокно SMF-28e™.

(а) (б)

Рис. 1.20. Спектральные характеристики коэффициента затухания одномодовых оптических волокон Corning®: (а) волокно SMF-28™; (б) LWPF волокно SMF-28e™.

На рис. 1.21 представлена спектральная характеристика коэффициента затухания многомодового оптического волокна Coming7 50/125.

Рис 1.21 Спектральная характеристика коэффициента затухания многомодового

оптического волокна Corning® 50/125.

На длинах волн свыше 1600 нм начинают проявляться потери на инфракрасное поглощение, вызываемые колебаниями связи Si-О молекулы кварца SiО2, а в ультрафиолетовой части спектра - из-за резонанса электронов, поэтому инфракрасное поглощение часто называют ионным, а ультрофиолетовое- электронным.

Величина потерь на инфракрасное поглощение αик пропорционально показательной функции и уменьшается с ростом частоты по закону [16]:

(1.25)

Где С и k- постоянные коэффициенты ( для кварца k=0,7…0,9 мкм; С=0,9)

В 2002 рекордно минимальный коэффициент затухания α составил 0,154 дБ/км на длине волны λ=1568 нм (Sumitomo Electric Industries Ltd.). Предыдущий рекорд 0,154 дБ/км был установлен еще в 1986 г. и рассматривался как фактический предел. Сердцевина данного оптического волокна была изготовлена из чистого кварца, оболочка легирована фтором. Составляющие потерь принимали следующие значения αр=0,128 дБ/км; αик =0,014 дБ/км; примеси ОН¯ : 0,004 дБ/км; несовершенство ОВ: 0,004 дБ/км.

Потери в диапазоне λ=1520... 1606 нм не превышали 0,160 дБ/км.