2.11. Ослабление сигнала в оптических волокнах

В п. 2.10 было упомянуто, что наиболее важными передаточными характеристиками волокна, определяющими длину регенерационного участка в волоконно-оптической системе, являются дисперсия, рассматривавшаяся выше, и затухание сигнала. Основные причины затухания можно разбить на две группы,

одна из которых вызвана поглощением, а вторая — излучением световой энергии.

Потери за счет поглощения энергии.

Эти потери подразделяют на собственные и несобственные.

Собственное поглощение бывает вызвано взаимодействием распространяющейся световой волны с одним или несколькими основными компонентами веществ, из которых сделаны сердцевина и оболочка волокна. Поглощение энергии в этом случае ведет к квантовым переходам между различными электронными и молекулярными (прежде всего — колебательными) энергетическими уровнями вещества

В чистом плавленом кварце, основном материале для производства волокон, электронные переходы, как и в других стеклах, соответствуют энергии квантов, относящихся к ультрафиолетовому диапазону спектра. Ширина запрещенной зоны в кварце составляет около т. е. соответствует длине волны к мкм. С другой стороны, поглощение на колебательных уровнях происходит, как правило, в инфракрасном диапазоне, в частности, в молекуле — на колебаниях связи т. е. на длине волны к мкм. Вследствие энгармонизма возможно возбуждение обертонов и комбинационных частот, соответствующих длинам волн 3,2; 3,8 и 4,4 мкм. За пределами указанных значений коэффициент поглощения спадает экспоненциально, и в промежуточной (т. е. видимой и близкой инфракрасной) области спектра поглощение определяется перекрытием экспоненциальных «хвостов». В области, наиболее перспективной для связи, — мкм и мкм — эти «хвосты» не оказывают серьезного влияния. Лишь при длине волны, превышающей 1,5 мкм, начинается резкий рост коэффициента поглощения, в то время как при мкм коэффициент поглощения составляет менее Эта величина может быть снижена еще, если перейти к другим композициям материалов, например флюоритным стеклам, у которых пик поглощения лежит вблизи 50 мкм, а значит в интересующем нас ИК-диапазоне влияние этого пика практически пренебрежимо мало.

Несобственное поглощение бывает обусловлено наличием примесей Даже в ничтожном количестве, исчисляемой иногда единицами атомов примеси на миллион атомов собственного вещества [85]. Весьма опасно наличие ионов переходных металлов (медь, хром, железо, никель, магний, ванадий) и растворенной в кварце воды (в форме гидроксильного иона (табл. 2.3). Основная частота колебаний иона соответствует длине волны 2,7 мкм. Однако в связи с ангармонизмом колебательных процессов в этом ионе возникают обертоны, что приводит к появлению пиков поглощения на длинах волн и комбинационных пиков поглощения на длинах волн 0,88; 1,13 и 1,24 мкм. К счастью, эти полосы поглощения весьма узки (особенно в области, соседствующей с окнами прозрачности при и мкм),

Таблица 2.3. Потери энергии за счет поглощения в кварцевом стекле с примесями (концентрация примесей

что и позволяет в лучших современных волокнах снизить потери до для .

Радиационные потери.

Этот вид потерь возникает из-за передачи энергии от волноводных мод низшего порядка к излучательным модам, модам оболочки и утечки или модам с высшими индексами, которые испытывают большие потери по сравнению с модами низшего порядка [203].

Одной из трудноустранимых причин радиационных потерь является релеевское рассеяние, обусловленное существованием мелкомасштабных (по сравнению с длиной волны излучения) флуктуаций плотности или химического состава вещества. Эти флуктуации являются следствием неравновесных состояний, возникающих в волокне в момент стеклования. Результирующие неоднородности вызывают почти изотропное релеевское рассеяние, приводящее к затуханию, коэффициент которого спадает как Поэтому, чем больше длина волны, выбранной для работы, тем меньше будет влияние релеевского рассеяния на общее затухание сигнала в волокне. Теоретически на длине волны 1,55 мкм уровень релеевских потерь в кварце должен составлять Использование для изменения показателя преломления легирующих добавок, таких как увеличивает релеевские потери.

Значительная доля радиационных потерь обусловлена различными нерегулярностями волокна (вариациями диаметра, изгибами), а также стыковкой компонентов волоконно-оптической системы с различным модовым составом.

Вариации диаметра по длине волокна раньше были одной из серьезных причин потерь, но в настоящее время разработана технология, позволяющая снизить влияние этого эффекта до незначительного уровня. Отметим только, что рассеяние на флуктуациях диаметра приводит к диффузии в энергетическом распределении мод, при которой энергия передается от моды с низким индексом моде с более высоким радиальным индексом, т. е. процесс проходит в направлении слева направо на модовой диаграмме рис. 2.15.

При укладке волокна в кабель или при прокладке кабеля неизбежны изгибы волокна. Потери энергии происходят как на отдельных макроскопических изгибах, так и на периодических микроизгибах.

Уровень потерь первого типа можно рассчитать, намотав волокно на катушки различного радиуса и определив тот критический радиус изгиба при котором резко возрастают потери. Очевидно, что зависит от профиля показателя преломления и величины Изгиб волокна нарушает прямолинейность образующих цилиндрического волновода и, следовательно, уменьшает углы падения света на границу сердцевина—оболочка. Это нарушение геометрии, однако, частично компенсируется сопровождающим его изменением показателя преломления в сеченни волокна (за счет оптикоупругого эффекта).

Радиационные потери на периодических микроизгибах носят иной характер. Появление в волноводной структуре продольно периодических неоднородностей с периодом Л всегда приводит к возникновению связей между направляемыми модами, а также — направляемых мод с модами оболочки и излучательными. Связи наиболее эффективны в том случае, когда постоянные распространения удовлетворяют условию [82]

Это явление, в целом приводящее к перераспределению энергии от мод с низкими индексами к модам оболочки, излучаемым модам и направляемым модам с более высокими индексами, вызывает возрастание потерь по сравнению с невозмущенным волокном. В то же время в некоторых волоконно-оптических датчиках (см. гл. 3) специально создают микроизгибы, чтобы использовать эффект связи волноводных мод с модами оболочки и модуляции интенсивности светового потока в сердцевине.

Все указанные причины потерь света, проходящего по волокну, могут иметь различное влияние на энергетический баланс в волоконной системе в зависимости от ее протяженности, разветвленности, способа укладки кабеля и его соединения и т. д. Суммарные потери за счет поглощения и релеевского рассеянйя учитываются при паспортизации оптического кабеля, однако паспортные данные не всегда являются абсолютно приемлемыми для расчета из-за их недостоверности. Реальные потери в волокне существенно зависят от уровня возбуждения различных модовых групп, т. е. от типа применяемых в системе источников, разъемов, разветвителей и т. д., каждый из которых, так же как и волокна, обладает собственным спектром мод [287].