Затухание в оптических волокнах

Затухание a характеризует ослабление сигнала и измеряется обычно в логарифмических единицах: децибелах или неперах. При оптических измерениях затухание измеряют в соответствии со следующими выражениями:

, (3.29)

где P ₀, P ₁ - мощности сигнала на входе и выходе ОВ, ОК или любого компонента волоконного тракта (ВТ). Отметим, что соотношение между децибелами и неперами при оптических измерениях отличаются от принятых в электрических измерениях: вместо .

Общее или вносимое затухание ОВ можно разделить на собственное затухание и дополнительные потери.

Зависимость затухания от длины волны и его величина для разных типов ОВ мало отличаются.

Собственное затухание обусловлено самим ОВ и возрастает с увеличением его длины. Для однородного ОВ можно рассчитать коэффициент затухания a - величину затухания на единицу длины:

, дБ/км (3.30)

где L - длина ОВ, км.

Зависимость потерь в кварцевых ОВ от длины волны излучения представлена на рис. 3.16. Рисунок носит иллюстративный характер, так как для разных типов ОВ и разных производителей величина потерь может различаться[2].

Рис.3.16. Зависимость коэффициента затухания от длины волны и положение окон прозрачности в кварцевых ОВ.

Собственные потери в ОВ в основном обусловлены двумя причинами:

¨ поглощением, которое определяется свойствами кварца, являющегося основным материалом для изготовления высококачественных ОВ, легирующих (полезных) добавок и вредных примесей;

¨ рассеянием, которое сильно зависит от длины волны, а также технологии изготовления и состава ОВ.

Из рис. 3.16 видно, что в диапазоне длин волн 800-1700 нм потери уменьшаются с ростом длины волны. Это обусловлено рассеянием света в ОВ.

Рассеяние

В ОВ, изготовленных из плавленого кварца (SiO₂), происходит линейное рассеяние проходящего света. Оно является фундаментальной (технологически неустранимой) причиной затухания в ОВ и носит название рэлеевское рассеяние. Его особенностью является сильная зависимость коэффициента рассеяния a_s от длины волны l проходящего излучения.

(3.31)

где c_s - коэффициент пропорциональности, который для высококачественных кварцевых ОВ равен 0.7-0.9 дБ×мкм⁴/км. Этот коэффициент зависит от материала и технологии изготовления ОВ. Установлено, что он несколько уменьшается при снижении температуры вытяжки ОВ.

Поглощение

Другим характерным видом потерь, оказывающим влияние на вид представленной характеристики, является поглощение. Поглощение возникает в процессе распространения света в веществе. Оно обусловлено потерями в основном материале ОВ- кварце и в примесях, как полезных, так и вредных. Поглощение носит резонансный характер и дает для кварца пики затухания в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. В используемом диапазоне длин волн 0.80-1.6 мкм всплески поглощения у кварца отсутствуют.

При современных технологиях изготовления ОВ наибольший вклад в поглощение вносят гидроксильные группы OH^- (вода). Они дают мощный пик поглощения на длине волны 1.383 мкм, которая очень близка к длине волны нулевой материальной дисперсии кварца (»1.27 мкм). Также они определяют пики поглощения в области длин волн 1240, 1130, 950, 875, 825 и 725 нм.

Этот тип потерь существенно зависит от технологии изготовления ОВ и имеет тенденцию к снижению. Так, например, на длине волны 1383 мкм этот пик для современного ОВ составляет 0.4—0.6 дБ/км, а для специального волокна, такого как AllWave, уменьшается до 0.31 дБ/км, формируя практически гладкую кривую затухания в диапазоне 1300—1620 нм, близкую к кривой релеевского рассеяния.

Из рис. 3.16 видно, что для передачи оптических сигналов может использоваться широкий участок спектра, где потери в ОВ достаточно малы. Его принято разбивать на более узкие участки – рабочие диапазоны или окна прозрачности.

Первоначально под окнами прозрачности понимались участки длин волн вблизи узких локальных минимумов в зависимости коэффициента затухания от длины волны: 850 нм (1-е), 1310 нм (2-е) и 1550 нм (3-е). Постепенно, с развитием технологии очистки кварцевого стекла стала доступна вся область малых потерь от 1260 до 1675 нм. Кривая потерь теперь выглядит достаточно гладко и локальные минимумы на ней слабо выражены.

Первое окно прозрачности использовалось в 70-х годах XX века в первых линиях связи на основе многомодовых волокон. В настоящее время этот диапазон из-за большой величины коэффициента затухания (2-2.5 дБ/км) используется в основном в локальных вычислительных сетях.

Второе окно прозрачности (О – Original, основной диапазон) стало использоваться в 80-х годах XX века в линиях дальней связи, когда были разработаны источники излучения на длину волны 1310 нм. В настоящее время второе окно прозрачности используется преимущественно в городских и зоновых линиях.

Третье окно прозрачности (C – Conventional, стандартный диапазон) было освоено в начале 90-х годов XX века. В него попадает абсолютный минимум поглощения в кварцевом волокне. Так как стандартные одномодовые волокна обладают в третьем окне прозрачности большой дисперсией, то было разработано DSF волокно со смещенной дисперсией, т.е. с длиной волны нулевой дисперсии, смещенной в это окно. Третье окно прозрачности наиболее широко используется в магистральных линиях и транспортных сетях.

В последнее время в связи с развитием технологии спектрального мультиплексирования (DWDM) повысился интерес к третьему и прилегающим к нему четвертому и пятому окнам прозрачности. Специально для применения в системах DWDM были созданы несколько типов NZDSF волокон, обладающих в этих окнах ненулевой дисперсией.

Четвертое окно прозрачности (L – Long wavelength, длинноволновый диапазон) позволяет передвинуть правую границу DWDM систем на 1620 нм.

Пятое окно прозрачности (S – Short wavelength, коротковолновый диапазон) появилось после создания волокна AllWave. В этом волокне в результате тщательной очистки потери в «водяном» пике на длине волны 1383 нм были снижены до 0.31 дБ/км (меньше чем во втором окне прозрачности на длине волны 1310 нм, где потери составляют 0.35 дБ/км). Пятое окно прозрачности завершило освоение спектральной области малых потерь в волокне на длинах волн от 1280 до 1650 нм.

К дополнительным потерям относятся потери на вводе и выводе излучения, потери, связанные с нарушениями геометрической формы ОВ и случайно расположенными структурными дефектами, изгибные потери, потери в соединениях (стыках) строительных длин, потери, вызванные недостатками монтажа.

Существенный вклад в увеличение затухания вносят также макро и микроизгибы ОВ. Потери из-за макроизгибов зависят от радиуса изгиба. При больших радиусах изгиба (более 25-30 мм на длине волны 1310 нм) они пренебрежимо малы. При уменьшении радиуса изгиба потери начинают быстро возрастать (по экспоненциальному закону). Так при намотке нескольких витков стандартного волокна на карандаш потери могут возрасти на 20-40 дБ.

Наиболее существенный вклад в увеличение затухания вносят микроизгибы, радиус которых соизмерим с радиусом сердцевины ОВ. Характер зависимости потерь отрассеяния на микроизгибах a_ми - имеет вид

, (3.32)

где С_ми - постоянная потерь на микроизгибах.