Втрати у оптичних волокнах

ВТРАТИ У ОПТИЧНИХ ВОЛОКНАХ

1. Загасання сигналу в оптичних волокнах

Як і в будь-якому іншому середовищі, при розповсюдженні в оптичних волокнах сигнал зазнає втрат. Принципові джерела загасання в волоконних світловодах можуть бути в цілому розділені на дві групи: поглинальні та випромінювальні.

Типовий спектр втрат в оптичному волокні зі своїми складовими компонентами, що вносять внесок в повну величину втрат на певній довжині хвилі показаний на рисунку 1.

Рисунок 1 – Залежність загаснення від довжини хвилі

Результати досліджень повного спектру втрат (пунктирна лінія) для одномодового волокна з дуже низькими втратами (довжиною 2,2км, що має D=0,0019). Також відображена оцінка різних факторів, що внесли вклад у вимірені втрати; показані різні “вікна” низьких втрат и відповідні їм джерела і детектори, які спільно визначили різноманітні покоління волоконно-оптичних комунікацій.

Цей рисунок також демонструє "вікна прозоростi" для оптичних комунікацій, відповідні джерела і детектори, що використовуються для роботи в цих "вікнах" низьких втрат. Далі, ми розглянемо кожну компоненту спектру втрат.

2. Втрати на поглинання

Втрати на поглинання можна також поділити на власні та зовнішні. Власні втрати можуть бути викликані взаємодією світлової хвилі, що поширюється з єдиним чи великою кількістю компонентів матеріалу волокна - взаємодія якого в кінцевому рахунку може привести до квантового переходу між електронними, а також і коливань рівнів енергії матеріалів волокна. Так, ширина забороненої зони в чистому плавленому кремнії (SiO₂ - основний компонент, з якого виготовляють волокно, а Si - здебільшого впливає на його параметри) - порядку ~8-9 еВ, пікове поглинення світла у відповідності з електронними переходами спостерігається при l~0,14 мкм в ультрафiолетовому діапазоні. З іншого боку основна коливальна смуга поглинення в SiO₂ має центр при l»9,2 мкм в iнфрачервоному (ІЧ) діапазоні, з наявністю більш слабких рядків поглинення при l»3,2; 3,8; 4,4 мкм, що викликано негармонічними коливаннями в зв'язку Si-O. Ці смуги поглинення експоненціально зменшуються, приводячи до відомих піків поглинення з краями, що виходять на сусідні довжини хвиль. Проте, в діапазоні довжин хвиль, що цікаві для оптичного зв'язку (0,8-0,9 мкм та 1,2-1,5 мкм), ці края серйозного впливу не виявляють. Для сьогоднішніх та ліній зв’язку наступного покоління в ІЧ-діапазоні виявляє деякий вплив при l>1,5 мкм, на цій довжині хвилі внесок ІЧ-поглинення меншим 0,05 дБ/км.

Таблиця 1

Втрати на поглинання в силікатному (SiO₂ -) склі, обумовлені присутністю слідів різних металів та іона ОН^- в якості домішок

З іншого боку, встановлено, що зовнішні поглинення викликані навіть невеликим слідом (мільйонною часткою в одиниці обсягу) домішок металевих iонів, наприклад міді, марганцю, заліза, ванадію та інш., а також наявністю води (в формі iону ОН^- ), розчинених в склі, що показано в таблиці 1. Проте, рівень технології виробництва волокон з низькими втратами все ще, по суті, заснований на реакціях з фазою випаровування, процесом, що неминуче очищає основні матеріали (відповідно з різним тиском пару), що, в кінцевому рахунку, формують волокно поза присутності цих домішок, за винятком води. Iони ОН^- коливаються з основною частотою, відповідною ІЧ-діапазону - 2,7 мкм. Проте, відповідно до слабкої негармонічності зв'язку О-Н, піки поглинення обертонів можуть з'явитися приблизно на довжинах хвиль 0,72; 0,95; 1,38мкм. Крім того, один чи більше піків комбінаційного поглинення можуть також зустрічатися на довжинах хвиль 0,88; 1,13; 1,24 мкм. Проте, ці піки поглинення ОН^- достатньо вузькі (в порівнянні з лініями поглинення в ІЧ - діапазоні), що забезпечує дуже низькі втрати в діапазонах довжин хвиль 1,3 мкм, 1,55 мкм, які викликають сьогодні особливу зацікавленість.

Якщо частина чи вся енергія,що направляється, випромінюється (губиться) із волокна, кажуть, що спостерігаються випромінювальні втрати. Найбільше джерело власних випромінювальних втрат в волокні викликано розсіянням Релея і породжується флуктуаціями густини і складу, малого масштабу (малого у порівнянні з довжиною хвилі світла, що поширюється), які вморожені в кристалічну решітку скла при температурі плавлення скла під час плавлення і наступного охолодження. Неупорядності, які з’являються, призводять до поглинення, що змінюється як l^{- 4} при зміні довжини хвилі. Таким чином, шляхом роботи системи на більш довгих хвилях, можна мінімізувати внесок розсіяння Релея в оптичному волокні. Теорія передбачає втрати розсіяння Релея порядку