Потери в оптических волокнах

Основными причинами потерь в оптических волокнах (ОВ) являются поглощение и рассеивание.

Потери поглощения состоят из собственного поглощения материала ОВ (стекла) и поглощения из-за наличия в стекле ионов примесей (в основном железа, меди, хрома, гидроксильных групп).

Собственное поглощение вызывается взаимодействием распространяющейся световой волны с молекулами среды. Электрическая составляющая электромагнитного поля поляризует молекулы, в результате чего они начинают колебаться с частотой волны. Взаимодействие волны с молекулами происходит в виде последовательных затухающих резонансов на электронном и атомном уровнях. В окрестностях резонансных частот наблюдается поглощение энергии. Зоны поглощения располагаются в ультрафиолетовой (0,1мкм…0,3мкм) и инфракрасной областях (3мкм…6мкм). Хотя эти области и лежат весьма далеко от используемых оптических частот, они вызывают столь сильное поглощение, что хвосты полос поглощения захватывают и эту область.

Наличие примесей, даже в очень малом количестве (10^-6…10^-7) приводит к возникновению резонансных поглощений ионами и атомами примесей. Ширина зоны поглощения и длина волны зависит от степени окисления иона. Поглощение оказывается достаточно сильным в областях, расположенных в области используемых частот. Например, поглощение ОН^-1 с концентрацией 10^-6 на длине волны 1,39мкм равно 65 дБ/км, на длине волны 1,24мкм – 2,3 дБ/км. Для того, чтобы поглощение от примесей металлов было меньше 1дБ/км необходимо, чтобы их концентрация была не выше 10^-9, а гидроксильных групп (ОН^-1) – 10^-8. Достичь таких концентраций достаточно трудно.

Потери, связанные с рассеиванием вызываются различными факторами: флуктуацией коэффициента преломления, наличием инородных включений, размеры которых соизмеримы с длиной волны и больших длины волны.

По своей природе стекло является неупорядоченной (некристаллической) структурой, в которой имеются микроскопические отклонения от средней плотности материала, а также локальные микроскопические изменения в составе. Каждое из этих изменений приводит к флуктуации коэффициента преломления. Потери, вызванные этими причинами называются релеевскими. Они не зависят от интенсивности света. Увеличение числа компонентов в стекле для формирования необходимого профиля показателя преломления увеличивает релеевское рассеивание.

Молекулярное рассеивание возникает на частицах, размер которых сравним с длиной волны. На крупных частицах, размер которых больше длины волны наблюдается лучевое рассеивание.

Описанные потери определяют коэффициент затухания ОВ

α = α_п + α_р,

где α_п – километрическое затухание за счет поглощения,

α_р – километрическое затухание за счет рассеивания.

Зависимость коэффициента затухания от длины волны для кварцевого волокна, легированного германием приведена на рисунке 1.

Рисунок 1.

Характеристика имеет характер "окон прозрачности" с центральными длинами волн 0,85 мкм, 1,30 мкм, 1,55 мкм и ограниченными диапазонами частот, которые рекомендованы для систем передачи. Минимальное значение коэффициента затухания наблюдается на длине волны 1,55 мкм и примерно равно 0,2 дБ/км. На длине волны 1,3 мкм - 0,5 дБ/км и на длине волны 0,85 мкм – 2 дБ/км.

Помимо рассмотренных собственных потерь имеются дополнительные потери, связанные с геометрией волокна и наличием оболочки.

Основными факторами, приводящими к потерям являются непостоянство размеров поперечного сечения сердцевины, неровности границы раздела сердцевина-оболочка, наличие микроизгибов и макроизгибов. Все дополнительные потери могут увеличить затухание на

(1-2) дБ/км.

Дата добавления: 2015-10-24