3.1.2. Поглощение

Как было уже показано в § 2.2.1, ответственные за дисперсионные свойства диэлектрического материала электронные и атомные резонансы вызывают также поглощение в окрестности резонансных частот. Для интересующих нас материалов это резонансы в ультрафиолетовой области спектра, связанные с электронными структурами атомов кристаллической решетки, и резонансы в инфракрасной области, обусловленные колебаниями самих атомов в решетке. Хотя эти резонансы и лежат весьма далеко от тех оптических частот, которые мы хотим использовать, однако они вызывают столь сильное поглощение, что хвосты их полос поглощения захватывают эту область при очень малом уровне потерь. На рис. 3.1 приведена оценка потерь, создаваемых краями полос поглощения в кварцевом волокне, легированном германием.

Окно между краями ультрафиолетовой и инфракрасной полос поглощения должно составлять 1,5 мкм, однако оно уменьшается до 0,3 мкм, поскольку над ультрафиолетовым поглощением начинает преобладать другой фундаментальный механизм потерь, а именно — рэлеевское рассеяние, которое будет рассмотрено в следующем параграфе.

Влияние края инфракрасной полосы поглощения становится значительным длинах волн свыше 1,5 мкм. Создаваемые им потери обусловлены наличием характерных периодов колебаний в межатомных связях окислов, соответствующих следующим фундаментальным частотам: . С этой точки зрения германий должен быть самой благоприятной примесью из-за более длинной длины волны, соответствующей период колебаний связи Это подтверждается результатами измерений, представленными на рис. 3.2. Приведенные на нем кривые показывают, что край инфракрасной полосы поглощения действительно сдвигается в сторону более коротких волн при использовании в качесте легирующих примесей Хотя этот сдвиг оказывает малое влияние на уровень потерь на длине волны 0,85 мкм, однако он исключает использование этих примесей при разработке оптических волокон, предназначенных для работы на более длинных волнах.

Следует отметить, что значение 9,0 мкм резонансной длины волны для не согласуется со значением 9,9 мкм, использованном в уравнении Селмейера для дисперсии кварца (2.2.32). Это можно объяснить двумя причинами: 1) уравнение (2.2.32) представляет собой электрическое соотношение,

Рис. 3.1. Фундаментальные потерн в стеклах с высоким содержанием кварца

дающее наилучшее соответствие с результатами эксперимента в ограниченной области спектра, весьма удаленной от предполагаемых резонансов. Степень соответствия слабо зависит от используемых точных значений следовательно уравнение (2.2.32) не является корректным для оценки резонансных частот; 2) аппроксимируемые формулой Селмейера данные представлены в виде трех слагаемых, тогда как в действительности имеется много резонансов, влияние которых на дисперсию суммируется указанным образом. Следовательно, величины представляют собой некоторые грубые усредненные значения резонансных длин волн. Здесь можно также отметить, что коэффициент поглощения на резонансной длине волны для равен

Край полосы поглощения играет важную роль в материалах, используемых для изготовления оптических волокон. Однако эти материалы могут также содержать атомы и молекулы примесей, которые способны вызвать поглощение на интересующих нас длинах волн. На практике установлено, что самыми вредными примесями являются пары воды и переходные металлы первой группы (ванадий, хром, магний, железо, кобальт и никель). В стекле металлы присутствуют в виде ионов, которые благодаря своей электронной структуре вызывают широкополосное поглощение на длинах волн, значения которых могут зависеть от степени окисления иона. Чтобы на длинах волн в области 1 мкм увеличение поглощения, обусловленное наличием указанных выше примесей, не превышало 1 дБ/км, концентрация примесей по самым скромным оценкам должна быть ниже

Поглощение, вызываемое наличием паров воды, обусловлено основным периодом колебаний межатомной связи Фундаментальная частота колебаний соответствует 2,73 мкм, однако она вызывает появление гармоник и комбинационных частот с изгибным резонансом связи на длине волны 12,5 мкм (частота fs). В табл. 3.1 приведены некоторые из этих полос поглощения. Большинство из них можно видеть на кривых поглощения, приведенных на рис. 3.22,

Рис. 3.2. Влияние легирующих примесей на край инфракрасной полосы поглощения и потери, обусловленные рэлеевским рассеинием. (Пики поглощения в области 1,4 и 1,25 мкм обусловлены остаточными парами воды.) [Данные взяты из статьи Н. Osanai at al. Effect of dopants on transmission loss of low-OH-content optical fibers. Ets. Lett. 12, 549-550 (14 Oct. 1976).J

Таблица 3.1. (см. скан) Полосы поглощения гидроксила

3.3 и 3.5. Имеет место значительная негармоничность, которая означает, что гармоники не точно кратны фундаментальной частоте. Пики поглощения могут быть довольно широкими и слегка асимметричными относительно длины волны, дающей относительно большие величины поглощения на более коротких волнах. Имеются также экспериментальные данные, которые указывают на то, что в боросиликатных стеклах эти пики поглощения шире, чем в других. Если присутствует примесь то полосы поглощения усложняются за счет

Рис. 3.3. Характеристики волокиа с предельно низкими потерями. [Данные взяты из статьи ] Кривые характеризуют экспериментально измеренные потери в одномодовом квар» девом волокне длиной легированном германием и имеющим Они определяют также вклад различных источников потерь

появления резонанса на длине волны 3,05 мкм, являющейся первой гармоникой между 1,5 и 1,6 мкм.

Концентрацию водяных паров от до можно считать достаточно малой и, следовательно, пренебречь ее влиянием для оптических волокон, предназначенных для диапазона длин волн Однако для волокон, разрабатываемых для окон в окрестности 1,2; 1,3 или 1,6 мкм, необходимо уменьшить концентрацию этой примеси до и менее. Достичь этого чрезвычайно трудно. На рис. 3.3. воспроизведена экспериментальная кривая полного поглощения для одного из самых малопоглощающих волокон, производимых до 1980 г. На нем также показан вклад в потери, вюсимый различными процессами поглощения и рассеяния. Только когда примесное поглощение уменьшено до приведенных здесь уровней, только тогда другие источники потерь могут быть идентифицированы с достаточной степенью достоверности.