8.11. ЗАТУХАНИЕ
Затухание излучения внутри оптического волокна обусловлено как поглощением в материале волокна (включая рассеяние, вызванное флуктуациями плотности на микроскопическом и атомном уровнях), так и самим процессом распространения света в волноводе. Первый механизм затухания определяется материалом и может быть исследован на любом образце этого материала, тогда как второй определяется геометрической формой волновода. Потери, обусловленные поглощением в стекле, можно подразделить на три части: поглощение материала, поглощение на примесях, неизбежно присутствующих в материале, и поглощение на атомных дефектах. Эти потери можно описать феноменологически через коэффициент потерь а. — характеристику рассматриваемого материала, который определяет относительное затухание на единицу длины полной энергии, переносимой электромагнитным полем. Разумеется, необходимо ввести два коэффициента потерь
первый из которых относится к материалу сердцевины, а
второй — к оболочке. При этом относительный декремент затуханий на единицу длины полной энергии
переносимой
модой
определяемой выражением
запишется в виде
где
- доля энергии
моды, распространяющейся в сердцевине, а
— то же, но в оболочке (эти величины вычислены для идеального волокна).
Еще одним источником затухания является рассеяние света на флуктуациях плотности числа частиц на атомном уровне. Если бы атомы и молекулы составляли идеально однородную структуру, то поля, рассеиваемые отдельными атомами, при интерференции взаимно компенсировались бы и рассеяние не наблюдалось. Этого не происходит из-за наличия локальных неоднородностей, зависящих от времени и вызванных тепловыми флуктуациями. В волокне неоднородности имеют статический характер и образуются при температуре
фазового перехода стекла; эти неоднородности остаются «замороженными» в стекле после его затвердевания. Наличие таких неоднородностей в стекле вызывает рассеяние (рэлеевское рассеяние) электромагнитных волн, приводящее к их затуханию с коэффициентом
(см. также разд. 8.13.4):
где
длина волны излучения в вакууме,
показатель преломления материала,
постоянная Больцмана, а
изотермический коэффициент сжимаемости среды.
Рис. 8.15. Спектральная зависимость затухания для типичного оптического волокна.
На рис. 8.15 показано изменение коэффициента затухания с длиной волны
Рэлеевское рассеяние отвечает за затухание в более длинноволновой части, где коэффициент затухания зависит от длины волны как
Различные виды потерь в волокне связаны с его геометрической структурой (например, уже упоминавшиеся потери мод утечки с коэффициентом затухания
и потери, обусловленные конечной кривизной волокна).
Конечный диаметр оболочки приводит к дополнительному затуханию, обусловленному тем, что часть электромагнитной энергии распространяется в окружающем волокно покрытии, которое обладает большими потерями. Другие виды потерь вызываются нелинейными оптическими эффектами, вынужденным комбинационным рассеянием и рассеянием Мандельштама — Бриллюэна, которыми в оптических волокнах при низкой мощности света можно, как правило, пренебречь (см. разд. 8.18).
Помимо перечисленных выше механизмов потерь, которые имеют детерминированную природу, существуют и другие, вызванные тем, что в любом волокне неизбежно происходят случайные деформации сердцевины и микроизгибы его оси. Эти случайные неоднородности приводят к возникновению связи между различными модами и взаимной перекачки электромагнитной мощности. Увеличивающийся при этом поток мощности от направляемых мод к модам утечки и далее к преломленным модам является одной из причин затухания энергии, распространяющейся в волокне.