Затихване на оптичното влакно

Затихване наричаме всякакъв вид явление, предизвикващо намаляване мощността на разпространявания сигнал, което не засяга неговата форма.

За математическо описание на причинените от затихване загуби на мощността в оптичното влакно се използва параметър наричан единица затихване a, измервана на разстояние 1 км. Той е изразен в dB/km и се дефинира по следната формула:

P(l₁) и P(l₂) – оптична мощност измервана в оптичното влакно в точкиl₁ и l₂ раздалечени една от друга на разстояние L

Затихването нараства експоненциално заедно с увеличаването на дължината на влакното, ограничавайки по този начин обхвата на предаване. Увеличението на затихване с 3 dB съответства на намаляването на мощността на разпространявания сигнал с 50%.

Загубите на енергия, причинени от затихване включват явления на базата на материали, свързани с физичните свойства на самия материал на сърцевината и вълноводни, произтичащи от структурата на оптичното влакно (фиг. 1). Към материалните загуби включваме всички видове абсорбция и разсейване. Вълноводните загуби са загуби на енергия, причинени наред с другото, от микро- и макроизвивки, неравномерност на разпределението на коефициента на пречупване на светлината на границата на сърцевината и обвивката или колебания на диаметъра или формата на тази граница.

Абсорбцията е явление, състоящо се в предаването на енергия на електромагнитна вълна в материална среда, в която вълната се разпространява (фиг. 2). Тази енергия се разсейва по-късно под формата на трептене на частиците (предимно термично трептене) или чрез емисии. Енергията може да се поглъща от частицата само в строго определени порции (кванти), които се определят от честотата на електромагнитната вълна ν. Абсорбирането на фотона предизвиква трансфер на енергия, необходима за възбуждане на частицата на по-високо енергийно ниво, намалявайки по този начин светлинния поток.

В телекомуникационните и мултимедийни оптични влакна голямата роля играе абсорбцията чрез замърсяване, особено -OHйони. По-малко важни са абсорбцията в инфрачервената област и абсорбцията в интервала на UV.

За вълните с дължина 0.95 микрона и 1,38 микрона решаващо влияние върху оптичните загуби е наличието на йони -OH, за които има съответно трета и втора хармонична на трептенето. При дължина на вълната 1,23 микрона трептенията на йоните се припокриват -OH със съединенията Si-O, Cu²⁺, Fe²⁺, Cr³⁺ и H₂ (фиг. 1 – B). Наличието на йони -OH това е остатъка след замърсяване с водна пара по време на производствения процес. С добавянето на подходящи добавки/субстанции, се влияе не само върху промяната на коефициента на пречупване n, а също и на увеличаването на абсорбцията (фиг. 3).

Фиг. 3. Зависимост на единица затихване [a] от промяната на коефициента на пречупване Δn в кварцово едномодово оптично влакно при дължина на вълната от 1 μm

Абсорбцията в UV достига максимума при дължина на вълната от 0,2 μm. Това е свързано с избиването на валентни електрони от фотони към зоната на проводимост. За вълни по-дълги от 0,8 μm абсорбцията в UV е незначителна (фиг. 1 - C).

Свойствата на кварцовото стъкло показват, че с нарастването на дължината на вълната, над около 1,6 μm се увеличава инфрачервената абсорбция (фиг. 1 - D). При дължина на вълната 9 μm кристалните структури на Si0₂ попадат в резонанс, което води до максимално затихване и оптичното влакно престава да бъде прозрачно.

Разсейване това е промяна на посоката на разпространяваното излъчване, причинено от нееднородността на материала на молекулярно ниво.
Доминираща роля в телекомуникационните и мултимедийни оптични влакна играе разсейването на Рейли, там са и явленията на Мие разсейване и стимулираното Раманово и Брилуеново разсейване.

Причината за възникването на разсейването на Рейли (RR) е нееднородността на материала на сърцевината (в следствие на несъвършенствата на структурата на стъклото) с размери значително по-малки от 0,03 λ. RR е обратно пропорционално на четвърта степен на дължината на светлинната вълна (фиг. 1 - А),определяйки по този начин границата на използваемостта на кварцовите влакна за вълни по-къси от 0.7 μm. Затихването зависимо от RR (a_R) описва следната формула:

k – материална константа варираща от 0.7 до 0.8 (в зависимост от размера на добавките)

RR се извършва, както следва: електрическа съставляваща на падащата електромагнитна вълна индуцира електрически диполен момент на колебания с честотата на тази вълна. Диполът поглъща квант светлина, след което незабавно го излъчва с честота, равна на естествената честота на дипола и падащата вълна (фиг. 4). Посоката на разсейваната вълна е случайна, но е по-малко вероятно да бъдат излъчвани успоредни вълни на оста на дипола.

Мие разсейването (RM) се реализира, когато светлинната вълна се разсейва в частиците или клъстери от молекули с големина сравнима или по-висока от дължината на тази вълна.Този процес не е пряко свързан с дължината на разсейваната вълна, но е като частно на размера на частицата и дължината на вълната. Той е описан от следния параметър α.

r – радиус на частицата

Когато размерът на частицата е сравним с дължината на вълната, разсейването е (приблизително) равномерно във всички посоки. С нарастването на стойността на частното r/λ се увеличава асиметрия в наблюдаваното разсейване (фиг. 5). В случай когато r>>λ доминиращо става разсейването по посока съответстваща на разсейваната вълна (разсейване напред ), а промяната в дължината на падащата вълна е практически незначителна.

Фиг. 5. Мие разсейване. Разсейване върху несъвършенствата на материала на сърцевината на оптичното влакно: A) - сравними/по-големи от дължината на светлинната вълна, B) - значително по-големи от дължината на светлинната вълна

Чрез подобряване на технологичния процес за производство на оптични влакна, с успех (в значителна степен) бяха елиминирани газовите мехурчета, както и групи на добавките или кристалити и по този начин загубите на енергия причинени от RM бяха сведени до стойност 0,03 dB/km.

Стимулираното Брилуеново разсейване (SBS) и стимулираното Раманово разсейване (SRS) са нелинейни явления. Взаимодействието на електромагнитната вълна и материалната среда се извършва след превишаване на граничната стойност на оптичната мощност.

SBS се появява, когато в оптичните влакна са водени модове с оптична мощност от няколко mW. Тогава се формира отразената вълна, допълнително следва преминаване на фотонна енергия през предавателната среда за акустични фонони. Освен това настъпва честотно отместване на водения мод с:

n – коефициент на пречупване на светлината
ν – скорост на звуковата вълна в средата

SRS се появява след превишаване на оптичната мощност от порядъка на 1 W и се състои във взаимодействие на водените модове с молекулярни вибрации на материалната среда. Светлината, поддадена на разсейване предава квант фотонна енергия на разсейваната частица и променя своята честота. Последицата от това е намаляването на оптичната мощност на модове с по-висока честота (сондиращи модове) и увеличение мощността (напомпване) на вълната с ниска честота с честотата на Стоукс. В силициевите оптични влакна всеки две вълни с разлика в честотата от порядъка на 15 THz ще бъдат свързани заедно чрез SRS.

Друг източник на загуби са огъванията на влакното, както на макро така и на микро ниво

Вълната, която се разпространява по протежение на оптичното влакно и се натъква на един завой /извивка/, попада на границата между обвивката и сърцевината с по-различен ъгъл отколкото на правия участък на оптичното влакно. Когато ъгълът на падане е по-малък от граничния ъгъл, тогава явленията на пълно вътрешно отражение не се срещат. Водените модове претърпяват частична конверсия в радиационни модове, което води до пречупване извън сърцевината на оптичното влакно, а също така и извън обвивката (фиг. 4). Затова част от енергията се губи.

Образуваните загуби при огъване са неизбежни, те могат да бъдат сведени до минимум чрез намаляване на броя на огъванията, но на места, където те са необходими - чрез използването на огъване с максимално най-голям радиус на кривината. Всеки производител на оптични влакна дава информация за минималния радиус на огъване, който трябва да бъде взет под внимание при полагане на кабела. Това е параметър, който не трябва да се променя за да не бъдат влошени значително параметрите на кабела.

Микроогъванията възникват по време на производството на влакната. В това понятие се крие всякакъв вид нередности по формата на границата между сърцевината и обвивката, които са случайни (микропукнатини, групи добавки /примеси/, газови мехурчета), както и циклични (напр. изменения в диаметъра или геометрията на сърцевината и микропукнатини, причинени от периодичното увеличаване на напрежението по време на намотаването на влакното върху барабана).

Микроогъванията в многомодовите оптични влакна предизвикват свързване на модове и преобразуване на енергия на водени моди към излъчвани моди. В едномодовите оптични влакна са причина за изтичане на мода.