3. ПОТЕРИ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ
3.1. МЕХАНИЗМ ПОТЕРЬ
3.1.1. Общие сведения
Материал, пригодный для изготовления оптического волокна, должен иметь высокую прозрачность для электромагнитного излучения в области 1 мкм. Поэтому ниже будут рассмотрены некоторые физические эффекты, которые вызывают потери света в диапазоне длии волн 0,5 ... 2,0 мкм.
Напомним, что в своем первоначальном предложении в 1966 г. Као и Хокэм полагали, что для практического использования оптических волокон в
линиях связи на большие расстояния необходимо, чтобы общие потерн в волокне были порядка 20 дБ/км. К 1980 г. достигнуты рекордно низкие потери порядка 0,2 дБ/км, полученные в лабораторных условиях на волокне без сростков. Это достижение стало возможным благодаря пониманию основных причин, вызывающих потери света в волокне, и их устранению, а также высококачественному контролю исходных материалов, используемых для изготовления оптических волокон.
В основном, потери света в волокне обусловлены двумя причинами:
поглощением, которое определяется свойствами материала и рабочей длиной волны. Оно имеет место при возбуждении в материале электронных переходов и резонансов с последующими иеизлучательными релаксационными процессами, которые были описаны в § 2.2.1. В результате того увеличивается тепловая энергия, накапливаемая в материале;
рассеянием, которое частично может обусловливаться свойствами материала, но в основном определяется нарушениями геометрической формы оптического волокна. Оно проясходнт тогда, когда мода распространения света изменяется таким образом, что часть оптической энергии покидает волокно. При этом не наблюдается никаких преобразований энергии излучения в другие виды энергии.
В настоящее время почти все оптические волокна изготавливают из высококачественных кварцевых стекол, легированных различными окислами, например бора, тнтана, германия или пятиокнсью фосфора. На этих материалах и будет сосредоточено внимание при рассмотрении основных причин поглощения и рассеяния света в волокне. Необходимо, одиако, отметить, что было предложено много других материалов для изготовления оптических волокон и целый ряд из них прошел экспериментальную проверку. Например, до того, как было установлено, что оптические волокна можно делать из многокомпонентных стекол, успешно изготавливались волокна, имеющие жидкую сердцевину, окруженную стеклянной оболочкой (в качестве жидкости использовался тетрахлорэтилен, разумеется, не содержащий пузырьков воздуха). Ряд исследователей экспериментировал с волокнами из натриевых и кальциевых силикатных стекол, имеющих очень низкие точки плавления (около 1100° С) и очень легко обрабатываемых. Другие использовали свинцовые силикатные стекла, которые обеспечивали получение больших значений разности показателей преломления. Некоторые теоретические предположения заставляли использовать стекла на основе сульфидов, селенидов и оксидов и даже монокристалических материалов для оптических волокон, работающих на более длинных волнах. Однако маловероятно, что когда-либо монокристаллы будут обладать механическими свойствами, необходимыми для практических оптических волокон, а все другие материалы далеки от практического использования в световодах. Группа прозрачных материалов, которая представляет интерес — это полимеры. Они будут отдельно рассмотрены в § 3.4.
Потери в волокне зависят не только от качества материала сердцевины. Значительную роль играет также и материал оболочки. При полном внутреннем отражении электромагнитные волны проникают через раздел сердцевина — оболочка и распространяются в оболочке. Таким образом, небольшая доля всей оптической мощности распространяется в оболочке. И если оболочка имеет плохое качество или большое поглощение, то она будет вносить заметный вклад в общие потери в волокне. Поэтому при изготовлении оптических волокон с минимальными потерями для оболочки используют такие же высококачественные и тщательно очищенные материалы, как и для сердцевины. При этом необходимо обеспечить, чтобы рассеянный оболочкой свет не распространялся в волокне и не доходил до фотодетектора, поскольку это может увеличить разницу в скоростях распространения различных мод и тем самым увеличить дисперсию волокна. Избежать этого можно двумя способами: сделать наружные слои оболочки поглощающими, чтобы рассеянные лучи ими ослаблялись, а распространяющийся в сердцевине свет не испытывал никакого влияния со стороны оболочки; окружить саму оболочку защитным слоем полимера с более высоким показателем преломления, в котором рассеянные лучи света будут поглощаться в процессе распространения.
