3.1.3. Рассеяние

По своей природе стекло является неупорядоченной структурой, в которой имеются микроскопические отклонения от средней плотности материала, а также локальные микроскопические изменения в составе. Каждое из указанных изменений приводит к флуктуациям показателя преломления, величина которых мала по сравнению с длиной волны оптического диапазона. Сказанное справедливо для любого стеклообразного материала, однако и при качественном изготовлении в нем наблюдается рассеяние света, известное как рэлеевское (см., например, § 2. 13.5), приводящее к потерям света в волокне. В самом деле, если видимый лазерный свет ввести в свернутое в спираль длинное волокно, без защитной оболочки, то из-за рассеяния света эта спираль будет хорошо видна в темной комнате, причем интенсивность свечения будет уменьшаться с увеличением длины волокна.

Потери, обусловленные рэлеевским рассеянием, могут быть минимизированы путем возможно более тщательного контроля процесса охлаждения расплава, из которого затем будет вытягиваться волокно. Вероятно, эти потери будут больше в многокомпонентных стеклах из-за изменений в их составе. Характерная особенность данного явления состоит в том, что рассеиваемая мощность, а, следовательно, и потери обратно пропорциональны длине волны в четвертой степени. Из рис. 3.1 видно, что именно рэлеевское рассеяние, а не край полосы ультрафиолетового поглощения является основной причиной потерь в кварцевых оптических волокнах на длинах волн короче 1,5 мкм. Типичное значение потерь, обусловленных этим механизмом потерь,

составляет 1 дБ/км на длине волны 1 мкм для стекол с высоким содержанием кварца, причем легирование германием и бором несколько увеличивает это значение, а легирование пятиокисью фосфора — немного уменьшает. Этот эффект хорошо виден на рис. 3.2. Для натриевых боросиликатных стекол типичное значение этих потерь лежит в области 2 дБ/км для длины волны 1 мкм.

До настоящего момента предполагалось, что волокно имеет правильную геометрическую форму и вытянуто в прямую линию. Разумеется, на практике это не имеет места и встречающиеся изгибы и дефекты волокна приводят к тому, что распространяющиеся в сердцевине лучи рассеиваются и выходят за пределы раздела сердцевина — оболочка. Основные нарушения геометрии этой поверхности (выступы, построение включения) и большие дефекты в сердцевине волокна (пузыри, примеси) приводят к значительным локальным потерям. Такие дефекты легко обнаруживаются в виде локально ярких областей на экспериментальной установке, которая демонстрирует релеевское рассеяние. Это дает возможность просто идентифицировать дефектные участки волокна, чтобы удалить их.

Аналогичным образом резкие изгибы волокна приводят к тому, что часть света не будет отражаться от оболочки, а будет в ней распространяться и таким образом теряться. Теоретически рассеиваемая при этом мощность экспоненциально зависит от радиуса изгиба Таким образом, потери на изгиб будут пропорциональны где критический радиус изгиба радиус сердцевины. Потери, обусловленные наличием изгибов радиуса были бы весьма значительными, из-за экспоненциального вида функции эти потери быстро уменьшаются при увеличении радиуса изгиба.

На практике, однако, минимально допустимый радиус изгиба определяется, исходя из механических свойств волокна, а не потерь на изгиб. Если волокно изогнуто столь сильно, что поверхностные напряжения превысят 0,2 %, то весьма вероятно, что в процессе эксплуатации в нем возникнут значительные трещины. Чтобы предотвратить это, оптическое волокно помещают в достаточно жесткий кабель. Рассмотрим волокно с радиусом сердцевины диаметром оболочки которое имеет следующие параметры: . Пусть это волокно намотано на барабан радиусом так, что нейтральная ось волокна изогнута по окружности радиуса как это и показано на рис. 3.4. Тогда напряжение сжатия внутренней поверхности волокна и напряжение растяжения его наружной поверхности будут определяться величиной Чтобы эти напряжения не превысили 0,2%, радиус R должен быть больше . В данном примере это требование выполняется при . С другой стороны, критический радиус изгиба для рассматриваемого волокна будет равен

Отсюда очевидно, что приемлемый с механической точки зрения радиус изгиба вызывает пренебрежимо малые потери на изгиб.

Хотя потери, создаваемые большими радиусами изгиба, оказываются незначительными, однако наличие непрерывной последовательности и очень малых изгибов может вызвать весьма значительное увеличение потерь в волокне. Этот эффект, известный как потери на микроизгибы, проявляется особенно заметно при наматывании с натяжением на барабан волокна без оболочки. Микроизгибы возникают из-за деформаций, возникающих в волокне при наматывании на барабан с дефектами поверхности. Аналогичный эффект легко наблюдается в результате давления, оказываемого на волокно соседними волокнами внутри кабеля. Легко возникающие в процессе изготовления волокна малые по величине непрерывные и плавные изменения диаметра сердцевины также могут приводить к аналогичному механизму рассеяния, вызывая так называемые волноводные потери.

Потери на изгибы и микроизгибы, а также волноводные потери были предметом серьезного теоретического анализа. Этот анализ слишком сложен и громоздок для того, чтобы привести его здесь, однако он будет рассмотрен в гл. 5. Достаточно сказать, что при хорошем контроле процессов изготовления волокна и хорошей конструкции кабеля, обеспечивающей защиту волокна, смягчая внешние механические воздействия и предотвращая резкие изгибы, эти потери можно сделать менее 1 дБ/км. Они, в основном, не зависят от длины волны и для

Рис. 3.4 Поверхностные напряжения, возникающие из-за изгиба волокна. Напряжение на наружной поверхности (растяжение) равно напряжению на внутренней поверихости (сжатие)

Рис. 3.5. Оценка остаточных потерь рассеяния (Эти потери практически не зависят от длины волны и составляют 0,4 дБ/км.)

волокон с очень малыми потерями могут быть оценены по зависимости затухания в волокне от (рис. 3.5).

Отметим, что, если сжатие короткого отрезка волокна на нерегулярной поверхности достаточно для получения существенного увеличения света, локально рассеиваемого вне волокна, то его можно собрать и продетектировать, реализовав таким образом простой способ подключения для подслушивания.