ОСНОВИ






Сторінка 3



  При розповсюдженні світла по оптичному волокну відбуваються втрати оптичної потужності.
  Втрати світла у волокні можна умовно розділити на втрати у матеріалі волокна та втрати, за рахунок недосконалості границі між серцевиною та оболонкою.
  Головними є втрати в матеріалі волокна, що визначаються двома причинами - розсіюванням і поглинанням.
Розсіювання (зміна напрямку) світла притаманне всім стеклам і відбувається на оптичних неоднорідностях - флуктуаціях щільності і складу скла (а у волокнах також і на порушенні геометричної форми серцевини і оболонки). При цьому частина оптичної енергії розсіюється відносно напрямку розповсюдження (або покидає волокно) і перетворення енергії відсутнє.
  Коли r « λ (розмір неоднорідності значно менший за довжину поширюваної хвилі), розсіювання називається Релеєвським і його потужність зменшується із зростанням довжини хвилі пропорційно 1/λ4. В природі явищем Релеєвського розсіювання пояснюється наприклад, блакитний колір неба, білий колір хмаринок і червоний колір Сонця при його сході та при заході.
  При r ≈ λ має місце розсіювання Мі.
  В природі цим пояснюється, наприклад, зміна кольору неба від блакитного в зеніті до темного на обрії. Мала або повна непрозорість туману є наслідком сильного розсіювання Мі. Ослаблення світла Сонця на сході та заході також значною мірою зумовлено розсіюванням Мі.
  В оптичних волокнах високої якості відсутні неоднорідності розмірів, що можуть бути порівнянні з довжиною хвилі. За своєю природою скло є неупорядкованою структурою, однак мікроскопічні відхилення від середньої щільності матеріалу, а також локальні мікроскопічні зміни у його складі, за своїми розмірами менші за довжину хвилі.
  Окрім Релеєвського та Мі розсіювань у оптичному волокні можуть виникати розсіювання, що обумовлені нелінійними ефектами. Це вимушене розсіювання Рамана та вимушене розсіювання Мандельштама-Бріллюена. Втрати на поглинання зумовлені як власним поглинанням у склі, так і поглинанням через домішки. При цьому частина енергії світла, що розповсюджується в матеріалі, перетворюється на тепло, збільшуючи теплову енергію матеріалу. Лінії поглинання кварцу лежать в ультрафіолетовій частині спектра (переходи між енергетичними рівнями електронів у атомах) та в інфрачервоній (переходи між коливальними рівнями атомів у решітці). Вони розташовані далеко від області спектра, що нас цікавить (0,8 ÷ 1,6 мкм). Однак, власне поглинання настільки велике, що кінці смуг поглинання захоплюють робочу область кварцових волокон за досить низького рівня втрат. Власне поглинання і Релеєвське розсіювання на мікро-флуктуаціях щільності матеріалу кварцового світловоду визначають мінімально досяжні фундаментальні втрати в матеріалі світловоду.
  На рисунку нижче показана спектральна характеристика коефіцієнта загасання в кварцовому світловоді з низьким рівнем втрат.
Спектральна характеристика коефіцієнта загасання в світловоді..

Області: І - (820 ÷ 860 нм); ІІ - (1280 ÷ 1330 нм); ІІ - (1520 ÷ 1580 нм) - вікна прозорості.
Крива 1 - ультрафіолетове поглинання в матеріалі, крива - 2 інфрачервоне поглинання, 3 - Релеєвське розсіювання.
  Втрати у світловоді збільшуються через наявність домішок. Домішки можуть бути як небажаними, так і спеціально введеними до складу скла. Це необхідно для створення матеріалів з різним значенням показника заломлення - більшим для матеріалу серцевини (цьому слугують оксиди германію чи фосфору) та меншим для матеріалу оболонки волоконного світловоду, що досягається введенням до складу скла фтору чи оксиду бору. Треба зауважити, що домішки бору не застосовують, якщо волоконний світловод буде працювати на довжинах хвиль окіл 1,55 мкм. Найбільш небажаними є домішки води і перехідних металів першої групи (ванадію, хрому, магнію, залізі, кобальту та нікелю). Довжини хвиль, на яких поглинають домішки металів, залежить від міри окислення іону металу. Для того, щоб приріст поглинання не перевищував 1 дБ/км, концентрація домішок повинна бути нижчого від 10-9. Наявність іонів гідроксильної групи ОН¯, що входить до складу води, призводить до збільшення поглинання на довжинах хвиль: 2,37, 1,39, 1, 24, 1,13, 0,95, 0,88, 0,72 мкм. Вони разом з прозорою частиною спектра зумовлюють утворення так званих "вікон прозорості" з мінімальним поглинанням на хвилях довжиною 0,85, 1,3 та 1,55 мкм. Їхня ширина залежить від складу скла серцевини оптичного волокна. На робочих довжинах хвиль 0,8 ÷ 0,9 мкм концентрацію водяних парів достатньо знизити до 10-7. Однак, при λ=1,2 ÷ 1,6 мкм концентрація групи ОН¯ повинна бути не вищою від 10-8. Досягнути цього надзвичайно важко. Однак, останнім часом розроблені оптичні волокна, для яких ця проблема вирішена (крива (5) на рисунку), що дає можливість відкрити нові робочі діапазони на довжинах хвиль в діапазоні 1350 ÷ 1450 нм. У порівнянні зі звичайними одномодовими волокнами зменшення втрат в межах цього вікна прозорості робить можливим створення ліній передач з більшою довжиною регенераційної ділянки і здійснювати передачу на високій швидкості (10 Гбіт/с) приблизно на вдвічі більшу відстань. Втрати у волокні збільшуються також через низку причин (крива 6 на рисунку), що зумовлені недостатньо досконалою технологією виготовлення світловодів і кабелів: забрудненням волокон у процесі їхнього витягування, коливанням розмірів поперечного перерізу вздовж світловоду, нерівністю границі серцевина-оболонка, а також згладжуванням цієї границі під час витягування волокна через дифузію домішок, які вводяться для зміни показника заломлення, виникненням мікро - та макровигинів при виготовленні кабелю. Експериментальна крива (4) на рисунку має три локальних мінімуми - вікна прозорості на довжинах хвиль 0,85; 1,3 та 1,55 мкм.



Повернутись на сторінку 2 Повернутись на головну сторінку Перейти на сторінку 4