Затухание сигнала в волокне. Виды потерь в волокне

Рисунок 2.6 – Спектр света

Для того, чтобы понять природу потерь на поглощение, надо вспомнить чем представлен спектр света (рисунок 2.6). Спектр света представлен инфракрасными лучами, видимым светом и ультрафиолетовыми лучами. Инфракрасная часть спектра оптического сигнала делится на 3 поддиапазона: ближний, средний и дальний. К среднему относится тепловое излучение, которое создаётся любым нагретым объектом (солнцем, отопительными приборами, теплокровными существами.) В электронике и связи чаще всего используют ближнюю часть инфракрасного диапазона (см. рисунок 2.6)

Как известно, стекло очень сильно поглощает ультрафиолетовые лучи. Потери света в видимом диапазоне меньше, чем в ультрафиолетовом, но ещё достаточно велики, что не позволяет использовать их для передачи по оптическому кабелю. Так называемое ультрафиолетовое поглощение простирается вплоть до длины волны 1, 3 мкм, где оно имеет минимальное значение.

На длинах волн меньших 1, 3 мкм имеет место ультрафиолетовое поглощение, а на длинах волн, больших 1, 3 мкм - инфракрасное поглощение, которое с увеличением длины волны растет. При длине волны излучения выше 1, 6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным

Таким образом, минимальное затухание в ОВ имеет оптический сигнал в диапазоне 0, 8 – 1, 7 мкм (в ближнем поддиапазоне инфракрасного диапазона).

Поскольку свет является электромагнитной волной, то механизм поглощения связан с поведением диэлектрика в электрическом поле (диэлектрической поляризацией).

Это означает, что под действием света происходит поворот связанных зарядов молекул стекла относительно центров связи, на что затрачивается энергия световой волны, этим обусловлены потери на поглощение.

Для изменения показателя преломления волокна используются различные легирующие добавки. Некоторые из них, например, бор (В₂О₃) имеют большее естественное поглощение, а некоторые, например, германий (GeO₂) - меньшее. В настоящее время при производстве стекловолокон используют легирующие добавки с низкими потерями на поглощение.

Потеря энергии также существенно возрастает из-за наличия в материале ОВ постоянных примесей а_пр, таких, как ионы металлов Fe, Ni, Cr, V, Cu и других включений.

Более существенной в отношении поглощения примесью является вода, присутствующая в виде ионов ОН^-. На содержание ионов ОН^- в стекле влияет процесс его изготовления. Примесями вызваны максимумы потерь на длинах волн 0, 95 и 1, 39 мкм (рисунок 2.8).

На ранних этапах развития оптических волокон большую часть примесей составляли ионы металлов. Но в настоящее время эти примеси существенно малы в современных высококачественных волокнах, и единственной оставшейся значительной примесью является гидроксильная группа ОН.

Рассеяние света в волоконном световоде в основном обусловлено наличием в материале сердечника мельчайших (около одной десятой доли длины волны) случайных неоднородностей. Эти неоднородности рассеивают свет во всех направлениях (рисунок 2.7). Часть рассеянного света выходит из сердцевины волокна, а часть может отразиться назад к источнику. Согласно закону Рэлея с увеличением длины волны потери на рассеяние уменьшаются:

Такое рассеяние присутствует в любом волоконном световоде и получило название Релеевского рассеяния. Оно обратно четвертой степени длины волны.

Легирующие добавки, которые необходимы для изменения показателя преломления сердечника световода, увеличивают степень неоднородности стекла.

Рисунок 2.7 – Природа Релеевского рассеяния

Наибольший интерес представляет зависимость затухания ОВ от длины волны (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 – Зависимость затухания оптического волокна от длины волны света

На длинах волн 0, 95 и 1, 39 мкмвозникают всплески затухания, которые обусловлены резонансными явлениями в гидроксильных группах ОН («водные пики»).

Между пиками затухания находятся три области с минимальными оптическими потерями, которые получили название окон прозрачности. С увеличением номера окна затухание уменьшается.

Так первое окно прозрачности наблюдается на длине волны 0, 85 мкм. Второе окно прозрачности соответствует длине волны 1, 3 мкм. Третье окно прозрачности наблюдается на длине волны 1, 55 мкм, на которой затухание сигнала в ОВ минимально и составляет 0, 22 дБ/км. Таким образом, целесообразно, чтобы оптические системы передачи по волоконным световодам работали именно на указанных длинах волн, которые получили название рабочих. В настоящее время наибольший интерес вызывают два последних окна прозрачности, которые обеспечивают наименьшее затухание и максимальную пропускную способность волоконных световодов. Внедрение технологий «плотного» частотного уплотнения (DWDM) вкупе с использованием эрбиевых оптических усилителей привело к разработке нового типа оптических волокон. При использовании технологии DWDM в оптическом волокне одновременно вводится большое количество (до 300) оптических сигналов на близких длинах волн, каждый из которых несет свой, независимый от других информационный поток.

Рисунок 2.9 – Спектральная зависимость затухания в волокне TrueWave RS

Фирма Lucent выпускает усовершенствованные оптического волокна - TrueWave RS (рисунок 2.9), в котором несколько расширен в дальней области рабочий спектральный диапазон, при этом возникает четвёртое окно прозрачности, что дополнительно увеличивает пропускную способность оптического кабеля.

На рисунке 2.10 представлена спектральная зависимость затухания в волокне AllWave. В

отличие от стандартного одномодового волокна данное оптическое волокно, производимое фирмой Lucent не имеет так называемого «водяного пика», т. е. увеличения поглощения на длине волны 1, 385 мкм, соответствующей спектру поглощения ионов OH. На этой длине волны поглощение составляет 0, 31 дБ/км, т.е. появилось пятое окно прозрачности.

Спектральная область оптического волокна с малыми потерями (< 0, 3 дБ/км) расширилась до 500 нм и лежит в диапазоне длин волн 1200-1700 нм. Использование всего спектрального диапазона волокна позволяет резко увеличить информационную ёмкость волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов.

Рисунок 2.10 – Спектральная зависимость затухания в волокне AllWave

Кроме выше перечисленных потерь необходимо учитывать потери, возникающие при вводе излучения в ОВ, к ним относятся: