Затухание сигнала в волокне. Виды потерь в волокне

 

Свет по мере распространения в оптическом волокне постепенно ослабевает. Это явление называется затуханием ОВ.

Затухание светового сигнала определяется по формуле:

α = , дБ/км. (2.7)

где l – длина световода;

P_вх - мощность светового сигнала на входе ОВ;

P_вых - мощность светового сигнала на выходе ОВ.

Чем выше затухание, тем меньше дальность передачи сигнала по ОВ.

Ослабление сигнала в ОВ обусловлено собственными потерями и дополнительными потерями (кабельными) .

Кабельные потери обусловлены непостоянством размеров поперечных сечений сердцевины ОВ по длине и неровностями границы раздела сердцевина-оболочка, они связаны также с наличием микро и макроизгибов ОВ.

 

Рисунок 2.5 – Классификация потерь в оптическом волокне

 

Макроизгибы обусловлены скруткой ОВ вдоль всего оптического кабеля. На изгибе нарушается условие полного внутреннего отражения. Такой луч преломляется и рассеивается в окружающем пространстве (оболочке).

Потери от микроизгибов возникают в результате случайных отклонений волокна от его прямолинейного состояния. Размах таких отклонений составляет менее 1 мкм, а протяженность - менее миллиметра. Подобные случайные отклонения могут появляться в процессе наложения защитного покрытия и изготовления из стекловолокон кабеля, в результате температурных расширений и сжатий непосредственно волокна и защитных покрытий.

Собственные потери а_с состоят из трёх составляющих:

(2.7)

а_п - ослабление за счёт поглощения;

а_пр - ослабление за счёт наличия в материале ОВ постоянных примесей;

а_р - ослабление за счёт потерь на рассеяние.

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 , 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:

 

 

Рисунок 2.7 – Природа Релеевского рассеяния

 

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.

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.

Рисунок 2.10 – Спектральная зависимость затухания в волокне AllWave

 

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.

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

а_ап - апертурные потери, обусловленные несовпадением апертур излучателя и световода;

а_фр - френелевские потери на отражение от торцов световода и т. д.

В качестве излучателей в ВОСП используют светоизлучающие диоды СИД полупроводниковые лазеры ППЛ. СИД излучают свет в телесном угле 30-60°, а ППЛ – в телесном угле от 3 до 30°. Если апертура излучателя больше апертуры ОВ, то часть оптического сигнала теряется ещё при вводе в ОВ. Это и есть аппертурные потери. Для уменьшения апертурных потерь для ввода излучения в ОВ используют фокусирующие линзы.

Для уменьшения френелевских потерь торцы ОВ покрывают специальными антиотражающими плёнками толщиной кратной λ/4.