Рисунок 2.1 – Структура основных типов потерь в ОВ
| Предыдущая | Оглавление | Следующая |
Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяющегося в волокне сигнала, тем больше может быть расстояние между регенераторами или повторителями.
Потери оптической мощности по мере распространения света по волокну называются затуханием α,которое определяется отношением оптических мощностей на входе Pвх и выходе Pвых.
Для оценки таких величин по решению Международного Консультативного Комитета по Телеграфии и Телефонии (МККТТ) от 1971 г. используются логарифмические единицы с основанием 10 (десятичные логарифмы). Поэтому величина затухания α выражается в децибелах [дБ]:
| α[дБ]=10lg(Pвх/Pвых),дБ | (2.1) |
и называется коэффициентом затухания света в ОВ.
Затухание оптической мощности на один километр длины l оптического волокна (погонное или удельное затухание) определяется коэффициентом полных потерь световой энергии в ОВ
[дБ/км]=α[дБ]/l[км].
Рисунок 2.1 – Структура основных типов потерь в ОВ
Полное затухание в волокне определяется в виде суммы:
| α=αсоб+αкаб=αрр+αпм+αпр+αкаб | (2.2) |
Это рассеяние обусловлено рассеянием света на случайных изменениях плотности волокна. В действительности же плотность стекла не является однородной. В результате этого и возникает рассеяние. Рассеяние на неоднородностях происходит во всех направлениях (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2 – Механизм основных потерь в ОВ
В результате часть света теряется в оболочке. Потери из-за рэлеевского рассеяния зависят от длины волны по закону λ-4. Поэтому они сильнее проявляются в области коротких длин волн, что и ограничивает нижний предел потерь.
Это поглощение в волокне, обусловленное свойствами материала и рабочей длиной волны, имеет место при возбуждении в материале:
В результате этого энергия света переходит в тепловую.
Резонансы в ультрафиолетовой (УФ) области спектра связаны с электронными структурами атомов кристаллической решётки. Резонансы в инфракрасной (ИК) области обусловлены колебаниями самих атомов в решётке.
Хотя эти резонансы и лежат весьма далеко от тех оптических частот, которые используются в ВОСП, однако они вызывают столь сильное поглощение, что «хвосты» их полос поглощения захватывают эту область при очень малом уровне потерь.
Можно показать, что погонные потери энергии на поглощение в материале ОВ до ИК-области составляют:
Потери на поглощение быстро растут в ИК-области ( 1мкмБλ<100мкм).
Коэффициент затухания в ИК-области (1мкм < λ < 100 мкм) в зависимости от длины волны определяется по формуле:
где Cик=0,3 дБ/км - погонные потери в ИК-области;
kик=0,5⋅10-6 мкм – коэффициент потерь в ИК-области.
Потери на поглощение быстро растут в ИК-области. При λ>1,8мкм обычное кварцевое ОВ становится практически непрозрачным, что ограничивает верхнюю длину волны пропускания.
Другим характерным видом потерь, имеющим резонансный характер, является поглощение примесями (αпр) в кварце – основном материале для изготовления оптоволокна. Примесные центры (рисунок 2.2) в зависимости от типа примеси поглощают свет на определённых, присущих каждой примеси, длинах волн. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь. Наиболее заметное поглощение соответствует примесям ОН- – ионам гидроксильных групп. Они, в основном, определяют пики потерь в области длин волн 725нм, 825нм, 1383нм и др.
К другим неоднородностям, обуславливающим поглощение, относятся ионы железа, меди, кобальта, ванадия, хрома и др. Для обеспечения низких потерь производители волокна должны поддерживать концентрацию этих ионов на уровне 10-9. Современная технология производства волокна позволяет добиваться этого уровня в контролируемых условиях особо чистого окружения. Поэтому проблема поглощения света в волокне на примесях тяжёлых металлов не столь важна, как прежде.
Таким образом, при распространении оптического сигнала внутри волокна происходит его экспоненциальное затухание, вызванное потерей мощности P и обусловленное различными линейными и нелинейными механизмами взаимодействия световых волн (частиц) со средой волокна.
Закон затухания имеет вид:
где P0 - мощность, вводимая в волокно;
l - длина волокна;
α - коэффициент полных потерь световой энергии ОВ.
Используя эту формулу, можно получить взаимосвязь между αп и α в виде:
Анализ потерь показывает, что собственные резонансные частоты SiO2, примесей и гидроксильных групп (ОН) оставляют для ОВ лишь несколько окон прозрачности при их использовании в магистральных трактах ВОЛС.
На рисунке 2.3 приведена типичная для кварцевых ОВ спектральная зависимость суммарных собственных потерь.
Рисунок 2.3 – Обобщённая спектральная зависимость собственных потерь в кварцевом ОВ
Представленная кривая потерь позволяет выделить три окна прозрачности с центрами в точках 850, 1300, 1550нм.
При строительстве и эксплуатации оптических кабельных линий возможно появление так называемых эксплуатационных потерь. Они обусловлены скруткой, деформацией и изгибами волокон, возникающих при наложении покрытий и защитных оболочек при производстве кабеля, а также в процессе его прокладки (рисунок 2.4).
Рисунок 2.4 – Потери на изгибах волокна
Потери на микроизгибах обусловлены преобразованием направляемых мод в моды излучения. Они резко возрастают и становятся недопустимо большими, как только радиус изгиба уменьшается до критического значения, которое для типичных ОВ составляет несколько сантиметров. На рисунке 2.4 показано, как вариации границы ОВ могут приводить к отражению мод высокого порядка под углами, при которых дальнейшее прохождение света по ОВ становится невозможным. При этом свет покидает волокно. Развитие технологии производства ОВ и ВОК направлено на уменьшение этих микронеоднородностей.
| Предыдущая | Оглавление | Следующая |