TopТехнический словарьЗатухание оптического волокна

Затухание оптического волокна

Затуханием называем всякого рода явления, по причине которых уменьшается мощность предлагаемого сигнала, которые одновременно не влияют на его форму.

 

Для математического описания потерь мощности из-за затухания, в оптических волокнах используется параметр, называемый блоком затухания a, измеряемый на отрезку 1 км. Он выражается в dB/km и определяеться по формуле:

 

P(l1) i P(l2) – оптическая мощность, измеренная в оптическом волокне в точках l1 и l2 отдаленных друг от друга на L

 

Затухание экспоненциально возрастает вместе с увеличением длины волокна, тем самым ограничивая диапазон передачи. Увеличение затухания на 3дБ соответствует уменьшению мощности предлагаемого сигнала на 50%.

 

На потери мощности, вызванные затуханиями, имеют влияние явления, состоящие из материала подложки, связанные с физическими свойствами материала сердцевины, а также волноводные потери, возникающие из конструкции оптического волокна (рис.1). К материальным потерям включаем все типы поглощение и рассеивание. Волноводные потери - это, в свою очередь, потеря энергии, вызванная, в частности микро- и микроизгибами, неравномерностью распределения показания преломления света на границе - ядро-оболочка или колебаниями диаметра или формой этой границы.

 

Рис.1. Зависимость блока затухания [a] от длины волны λ в кварцевом одномодном оптическом волокне

 

I II III - окна передачи

A - рассеивание Rayleigha

B - поглощение в гидроксильных ионах

C - поглощение в ультрафиолете

D - инфракрасное поглощение

E - волноводные потери

Поглощение является явлением, заключающемся на передаче электромагнитной энергия волны в материальную среду, в которой волна распространяется (рис.2). Эта энергия позже тратится в виде колебаний частиц (в основном тепловых колебаний) или путем выдачи - энергия может быть поглощена частицей только в определенных порциях (квантах), которые определяются по частоте электромагнитной волны ν. Захват фотона вызывает перенос энергии, необходимой для возбуждения частицы на высший энергетический уровень, уменьшая тем самым поток света.

 

Рис.2. Поглощение

 

- квант энергии фотона

E0 - первичный уровень энергии

E1 - возбужденный уровень энергии

В телекоммуникационных и мультимедиальных оптических волокнах наибольшую роль играет поглощение загрязнениЯ. особенно ионов -OH. Менее важное значение имеет поглощение инфракрасного излучения и поглощение в диапазоне UV.

 

Для волны длиной 0,95 μm и 1,38 μm решающее влияние на оптические потери имеет наличие ионов -OH, для которых выступают соответственно третья и вторая гармоники колебаний. При длине волны 1,23 μmнакладываются колебания ионов -OH связывания Si-O, Cu2+, Fe2+, Cr3+ oraz H2 (рис.1-В). Присутствие ионов -OH - это остаток по загрязненности водяной парой в процессе производства. Добавление соответствующих легирующих веществ, влияет не только на изменение показателей преломления света n, но и на увеличение поглощения (рис.3).

 

Рис.3. Зависимость блока ослабления [a] jn изменения показателя преломления луча Δn в кравцевом одномодном оптическом волокне при длине волны 1 μm

 

Поглощение ультрафиолета достигает максимума при длине волны 0,2 μm. Это связано с депопуляцией фотонов валентных электронов в полосе проводимости. Для более длинных волн, чем 0,8 μm поглощением в UV можно пренебречь (рис.1 С).

 

Из свойств самого кварцевого стекла следует, что с увеличением длины волны выше 1,6 μm увеличивается поглощение в инфракрасном (рис. 1-D). При длине волны 9 μm кристаллические структуры Si02 попадают в резонанс, что приводит к максимальному затуханию и оптическое волокно перестает быть прозрачным.

 

Рассеяние - это изменение направления размножаемого излучения, вызванного неоднородностью материала на молекулярном уровне.
Доминирующую роль и телекомуникационных и мультимедиальных оптических волокнах имеет рассеивание света Mie и вынужденное рассеивание Ramana и Brillouina.

 

Причиной возникновения Рассеивания Rayleigha (RR) являются неоднородности материала сердцевины (из-за несовершенства структуры стекла) с размерами существенно меньшими от 0,03 λ. RR есть обратно пропорционаное четвертой степени длины световой волны (рис.1 - А), установив тем самым предел полезности кварцевых оптических волокон для волн, короче 0,7 μm. Затихание, зависимое от RR (aR) описывает формула:

 

k – Постоянная материала расположенав интервале от 0,7 до 0,8 (в зависимости от количества примесей)

 

RR выглядит следующим образом: электрическая составная падающей электромагнитной волны индуцирует электрический дипольный момент, колеблющийся с частотой этой волны. Диполь поглощает квант света, после чего немедленно его выпускает с частотой равной частоте колебаний диполя, а тем самым и падающей волны (рис.4). Направление рассеянной волны является случайным, однако с меньшей вероятностью выпускают волны, параллельные до оси диполя.

 

Рис.4. Рассеяние Rayleigha

 

A - падающая волна

B - рассеянная диэлектрическая частица (меньше длины волны света)

C - проходящая волна (для сохранения ясности рисунка не включены изменения направления распространения световой волны)

D - рассеянные волны

λ[const] - длина волны

Рассеивание Mie (RM) происходит, когда световая волна рассеивается на частицы или кластеры молекул, размером равным или выше от длины этой волны. Этот процесс не связан напрямую с длиной рассеянной волны, но с фактором размера частицы и длины волны. Описан параметром α.

 

r – радиус частицы

 

Когда размер частицы сравним с длиной волны, рассеивание является (приблизительно) равномерным во всех направлениях. В связи с более высоким значением фактора r/λ увеличивается ассиметрия в наблюдаемом рассеивании (рис.5). В случае, когда r>>λ, доминирующим становится рассеивание в направлении, соответствующем рассеиваемой волне ( рассеивание вперед), а изменение длины падающей волны практически незначительна.

 

Рис. 5. Рассеивание Mie. Рассеивание на дефектах материала сердцевины оптического волокна: А) - сравниваемых/больших от длины световой волны, В) - значительно больше длины световой волны

 

За счет улучшения технологического прпоцесса, продукции оптических волокон удалось ( в значительной мере) ликвидировать пузырьки газа, кластеры легирующих элементов или кристалликов, из-за чего потери мощности, вызванные RM, уменьшено до величины порядка 0,03 дБ/км.

 

Принудительное рассеивание Brillouina (SBS) и принудительное рассеивание (SRS) являются нелинейными явлениями. До взаимодействия между электромагнитной волной и материальной средой доходит по превышению граничного значения оптической мощности.

 

SBS происходит, когда в оптических волокнах проведены модули оптической мощности порядка нескольких mW. Тотчас возникает обратная волна, дополнительно происходит передача энергии фотонов через материю среды акустическим фотонам. Кроме того, происходит передвижение частоты светодиодного модуля на:

 

n – показатель преломления света
ν – скорость звуковой волны в центре

 

SRS появляется после пересечения оптической мощности ряда 1 Вт и заключается у взаимодействии ведущих модов с молекулярными колебаниями материальной сферы. Свет, уступая рассредотачиванию,передает квант энергии фотона рассеиваемоей частице и изменяет свою частоту. Следствием этого является уменьшение оптической мощности модов с более высокими частотами (модов звучания) и повышение мощности (накачка) волны с частотой ниже, чем частота Stokesa. В кремниевых оптических волокнах каждые две волны с разницей частот порядка 15 ТГц будут соеденены друг с другом с помощью SRS.

 

Другим источником потерь являетя сгибание волокна, как на макроуровне, так и микроскопические.

 

Волна, которая распространяется вдоль оптического волокна и встречает сгибание, падает на границе между оболочкой и ядром под другим углом, чем на простом участке оптического волокна. Когда угол падения меньше критического угла, явление полного внутреннего отражения не происходит. Веденные моды подвергаются частичной конверсии в моды излучения, результатом чего является изгиб за пределами ядра, а также за оболочкой (рис.4) Часть энергии, следовательно, теряется.

 

Рис.4. Потери (утечки в модах), возникающие на сгибах оптического волокна - макроизгибы.

 

Θ - угол падения фронта волны света на границе ядро-оболочка на изгибе оптической волны

Θg - критический угол полного внутреннего отражения

Потери, возникшие на сгибах неизбежны, они могут быть сведены к минимуму за счет уменьшения количества изгибов, а в местах, где они необходимы, за счет использования изгибов с самым большим радиусом кривизны. Каждый производитель оптических волокон подает минимальный радиус изгиба, который нужно принимать во внимание при прокладке кабеля. Это параметр, который не должен быть изменен, чтобы существенно не ухудшить параметров кабеля.

 

Микроизгибы возникают в процессе производства волокон. Под этим понятием скрываются все виды нарушений в форме границы между ядром и оболочкой как случайного характера (микротрещины, концентрации примесей, пузырьки газа), так и циклического (например изменение диаметра или геометрии сердечника, а также микротрещины, вызванные периодическим увеличением напряжения при намотке волокна на барабан).

 

Рис.5. Потери (моды утечки), вызванные наличием дефектов в конструкции волокна - микроизгибы

 

A - нерегулярность границы между ядром и оболочкой

B - загрязнение ионами

Микроизгибы в многомодовых оптических волокнах вызывают сцепления модов и преобразования энергии веденных модов до модов излучения.В оптических одномодовых волокнах являются причиной размывания модуля.