Затухание

В процессе распространения оптического сигнала по волокну он постепенно теряет свою энергию. Этот эффект называется затуханием. От величины затухания зависит максимальная дальность связи между двумя приемопередатчиками. В волоконнооптической технике связи затухание принято измерять в децибелах.
Затухание в волоконных световодах обусловлено потерями на поглощении; потерями на рассеянии; кабельными потерями.
Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также дополнительными потерями (Рисунок 2.24).

Рисунок 2.11 Основные типы потерь в волокне
Полное затухание в волокне (измеряется в дБ/км) определяется в виде суммы:

Механизм основных потерь, возникающих при распространении по ОВ электромагнитной энергии, иллюстрируется рис. (Рисунок 2.31). Часть мощности, поступающей на вход световода РВХ, рассеивается из-за изменения направления распространяемых лучей на нерегулярностях и их высвечивании в окружающее пространство (αРР), другая часть мощности поглощается материалом ОВ (αПМ) в виде поляризации диполей ОВ, посторонними примесями, что проявляется в виде Джоулева тепла (αПР). В результате мощность на выходе Рвых уменьшается.
Потери на поглощение существенно зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей могут быть значительными. Потери на рассеяние лимитируют предел минимально допустимых потерь в ОВ.

Рисунок 2.12 Механизм основных потерь в световодах:

αРР – рассеяние на нерегулярностях; αПР – поглощение из-за примесей;
αПМ – поглощение в материале волокна
Рассеяние, с одной стороны, обусловлено неоднородностями материала ОВ, разме-ры которых меньше длины волны, а с другой – тепловыми флуктуациями показателя преломления.
Рассеяние света принципиально неустранимо и вносит свой вклад в затухание ОВ даже в том случае, когда потери света на поглощение равны нулю.
Потери на поглощении αabs состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение), так и из потерь, связанных с поглощением света на примесях. Примесные центры, в зависимости от типа примеси, поглощают свет на определенных (присущих данной примеси) длинах волн и рассеивают поглощенную световую энергию в виде джоулева тепла. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь (Рисунок 2.31). Следует отметить характерный максимум в районе длины волны 1480 нм, который соответ-ствует примесям ОН-. Этот пик присутствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется.
Потери на поглощение вызваны инфракрасным поглощением и становятся заметны при длине волны излучения λ>1,6 мкм (Рисунок 2.31). Величина этих потерь рассчитывается по формуле:

где для кварца k = 0,8×10-6 м, С = 0,9 – постоянные коэффициенты.
Потери на рассеянии αsct. Уже к 1970 году изготавливаемое оптическое волокно становится настолько чистым (99,9999%), что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. На длине волны 800 нм затухание составило 1,5 дБ/км. Дальнейшему уменьшению затухания препятствует так называемое рэлеевское рассеяние света. Рэлеевское рассеяние вызвано наличием неоднородностей микроскопического масштаба в волокне. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях. В результате часть его теряется в оболочке. Эти неоднородности неизбежно появляются во время изготовления волокна.
Величина рэлеевского рассеяния сильней проявляется в области коротких длин волн (Рисунок 2.31) и рассчитывается по формуле:

где: КР – коэффициент рассеяния, равный для кварца 0,8 мкм4×дБ/км;
λ – длина волны в мкм.

Рисунок 2.13 Факторы, влияющие на затухание в области длины волны 1500 нм

Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерями вследствие рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения.
Составляющую αПМ (дБ/км), связанную с потерями на диэлектрическую поляризацию, можно определить из выражения:

где n1 – показатель преломления сердцевины OB; tgδ — тангенс угла диэлектрических потерь сердцевины ОВ.
Составляющую αИК (дБ/км), обусловленную электронным и атомным резонансами в
инфракрасной части спектра за счет колебания атомов в кристаллической решетке, можно определить из выражения:

где C и k – постоянные коэффициенты, равные, например, для кварца С=0,9; k=(0,7…0,9)×10-6 м.

Рисунок 2.14 Составляющие потерь энергии

На рисунке (Рисунок 2.26) представлены типовые зависимости основных составляющих потерь от длины волны. Как видно из графика, рэлеевское рассеивание αРР ограничивает нижний предел потерь в левой части, а инфракрасное поглощение αИК – в правой части спектра волн.
В настоящее время в технике связи в основном применяются кварцевые ОВ, область эффективного использования которых находится в диапазоне длин волн до 2 мкм. При дальнейшем увеличении длины волны из-за значительных величин αИК ОВ кварц заменя-ется на другие материалы. В частности, сообщается об испытаниях фирмой Хьюз Эйр-крафт волокон, выполненных из поликристалла бромистого и бромойодистого таллия и имеющих на длинах волн 4-5 мкм коэффициент затухания, равный 0,01 дБ/км.
На более длинных волнах в качестве материала для волокна используются галоидные, халькогенидные и фтористые стекла. По сравнению с кварцевыми волокнами они обладают большей прозрачностью и обеспечивают снижение потерь на несколько порядков. С появлением ОВ из новых материалов становится реальным создание ВОЛС без регенераторов. Известны проекты строительства подводной оптической линии через Атлантический океан протяженностью 6 000 км без регенераторов, в которых анализируется возможность применения ОВ из тетрафторида, изиркония и фторида бериллия.
На рисунке (Рисунок 2.27) приводится общий вид спектральной зависимости собственных потерь с указанием характерных значений четырех основных параметров (минимумов затухания в трех окнах прозрачности 850, 1300 и 1550 нм, и пика поглощения на длине волны 1480 нм) для современных одномодовых и многомодовых воло-кон.

Рисунок 2.15 Собственные потери в оптическом волокне

Кабельные (радиационные) потери αrad обусловлены скруткой, деформациями и изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек, производства кабеля, а так же в процессе инсталляции ВОК. При соблюдении ТУ на прокладку кабеля номинальный вклад со стороны радиационных потерь составляет не больше 20% от полного затухания. Дополнительные радиационные потери появляют-ся, если радиус изгиба кабеля становится меньше минимального радиуса изгиба, ука-занного в спецификации на ВОК.

Рисунок 2.16 Зависимость затухания кварцевого волоконного световода от длины волны

На рисунке (Рисунок 2.34) в схематическом виде кривой 3 показана спектральная зависимость коэффициента затухания реальных световодов с учетом фундаментальных и дополнительных потерь, вызываемых примесями. Из графика следует, что работа по волоконнооптическим кабелям эффективна не на всех длинах волн, а только в определенных участках спектра, где достигаются минимальные потери. Области минимальных потерь получили название окон прозрачности. Для кварцевых световодов практический интерес представляют три окна прозрачности. За границы окон прозрачности удобно принять значения, приведенные в стандарте ISO/IEC 11801 и перечисленные в таблице (Таблица 2.7). Характеристики полупроводниковых излучателей и фотоприемников оптимизированы для работы в этих окнах.

Таблица 2.5 Типовые значения затуханий оптических сигналов в окнах прозрачности

Из рисунка (Рисунок 2.34) и таблицы (Таблица 2.7) следует, что переход из первого во второе окно прозрачности дает существенный выигрыш по величине затухания, тогда как работа в третьем окне большого выигрыша не приносит. С другой стороны, по мере увеличения рабочей длины волны начинает быстро расти стоимость активных оптоэлектронных компонентов. В линиях оптической связи локальных сетей, для обслуживания которых в основном используются волоконнооптические тракты магистральных подсистем СКС, из-за сравнительно малой протяженности кабельных трасс стоимость оконечной аппаратуры является относительно большой величиной. Поэтому в технике СКС с учетом перечисленных выше обстоятельств в подавляющем большинстве случаев используют первое и второе окна прозрачности. Нормировка параметров одномодовых световодов, используемых при создании подсистем внешних магистралей, выполняется из соображений предпосылок применения в СКС одномодовых оптических кабелей, разработанных для городских и междугородных сетей связи. Линии дальней связи, стоимость которых определяется в первую очередь длиной участка регенерации, работают в основном во втором и третьем окнах прозрачности, где кроме низкого затухания достигается также малая величина дисперсии.

Дата добавления: 2014-01-07