Лекция 4
Потери энергии и нелинейные эффекты
План:
1. Затухание оптических волокон;
2. Дисперсия и полоса пропускания ОВ;
3. Числовая и входная апертура;
4. Нелинейные эффекты в оптических волокнах.
При передаче импульсных сигналов по ОВ их амплитуда уменьшается и искажается форма (они уширяются). Ограничение дальности связи по ОК, также как и по металлическим кабелям, обуславливается затуханием и ограничением полосы частот (F) (дисперсией) передаваемого импульсного сигнала (рисунок 4.1). Затухание приводит к уменьшению амплитуды передаваемого сигнала на выходе ОВ, а дисперсия приводит к уширению (размыванию) импульсных сигналов. Зависимость затухания и дисперсии от электрических параметров среды можно получить, рассматривая распространение в ней плоских волн.
Рисунок 4.1 - Влияние затухания и полосы пропускания световода на форму импульсов:
а — нет потерь и бесконечно большая полоса пропускания; б — имеются потери и ограничена полоса частот
Затухание оптических волокон
Одним из факторов, ограничивающих дальность оптической связи, является затухание сигналов. Кварцевое стекло хотя и незначительно, но загрязнено, а также имеет добавки для изменения показателя преломления сердцевины или оболочки ОВ, что вызывает потери мощности сигнала на поглощение и рассеяние. Германий и фосфор увеличивают показатель преломления кварцевого стекла, а бор и фтор — наоборот уменьшают его.
Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационным и участками или повторителями.
На затухание света в волокне влияют такие факторы, как: потери на поглощении; потери на рассеянии; кабельные потери.
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 4.2.
Рисунок 4.2 - Основные типы потерь в ОК
Рассмотрим более подробно эти параметры. Затухание в ОВ - это мера ослабления оптической мощности, распространяемой вдоль ОВ между двумя его поперечными сечениями на данной длине волны. Затухание в ОВ выражается в децибеллах [дБ].
Коэффициент затухания ОВ - это величина затухания на единице длины волокна, выражается в дБ/км.
Коэффициент затухания ОВ обуславливается собственными потерями волокна и выражается в виде
α= αрр + αпм + αик + αпр,
где αрр, αпм, αик, αпр - составляющие коэффициента затухания за счет Рэлеевского рассеяния, поглощения в материале волокна, инфракрасного поглощения и поглощения на примесях оптического волокна, соответственно.
Таким образом, коэффициент затухания в ОВ определяется двумя факторами: рассеянием энергии в окружающее пространство αрр и потерями энергии в материале волокна αпм.
Собственные затухания. Общие потери на поглощение в ОВ определяются формулой
αп = αпм + αик + αпр.
Механизм основных потерь, возникающих при распространении по ОВ электромагнитной энергии, иллюстрируется рисунком 4.3. Часть мощности, поступающей на вход световода Рвх, рассеивается из-за изменения направления распространяемых лучей на нерегулярностях и их высвечивания в окружающее пространство αрр, другая часть мощности поглощается материалом оптического волокна αпм, в виде поляризации диполей ОВ, посторонними примесями, что проявляется в виде Джоулева тепла αпр. В результате мощность на выходе Рвых уменьшается.
Рисунок 4.3 - Механизм основных потерь в световодах: αрр - рассеяние на нерегулярностях; αпр - поглощение из-за примесей; αпм - поглощение в материале волокна
Затухания из-за поглощения энергии в материале ОВ. 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.
При поглощении происходит преобразование световой энергии в тепловую. Потери на поглощение состоят из собственного поглощения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра и поглощения световых квантов ионами металлов переходной группы (железа, кобальта, хрома, никеля, меди) и ионами гидроксильных групп, представляющих вредные примеси в плавленом кварцевом стекле, из которого изготовляют волокна.
Примесное поглощение для разных стекол, в зависимости от валентного состояния, изменяется. Так ионы металлов переходной группы, присутствующие в стекле, имеют электронные переходы в области длин волн (0,5 
1,0) мкм и вызывают соответствующие полосы поглощения. Пики поглощения за счет ионов металлов очень широкие.
Другой существенной в отношении поглощения примесью является вода, присутствующая в виде ионов ОН-. На содержание ионов ОН- в стекле влияет процесс его изготовления. Ей соответствует ярко выраженный максимум поглощения в районе длины волны 1480 нм. Он присутствует всегда. Поэтому область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется. Тем не менее, следует отметить, что уже к 1970 году изготавливаемое ОВ становится настолько чистым (99,9999%), что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. Дальнейшему уменьшению затухания препятствует так называемое Рэлеевское рассеяние света.
Затухания из-за Рэлеевского рассеяния света. Рассеяние, с одной стороны, обусловлено неоднородностями материала ОВ, размеры 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.
Процесс рассеяния сводится к генерации вторичных волн молекулами или частицами под действием падающего на них излучения. Если линейные размеры частицы меньше, чем примерно 1/15 длины волны, то рассеяние называется Рэлеевским. Эффект Рэлеевского рассеяния проявляется в том, что при распространении световых лучей в волокне они отклоняются от лучевого направления (в однородной среде от прямолинейного направления). При этом угол падения луча на границу сердцевина-оболочка может стать меньше угла полного внутреннего отражения, и луч выйдет из волокна. По аналогичной причине часть лучей может начать распространяться в обратном направлении. Интенсивность рэлеевского рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Поэтому при передаче световых сигналов предпочтительно использовать более длинные волны в районе 1,55 мкм.
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 в ОВ проводится замена кварца на другие материалы. В частности, сообщается об испытаниях фирмой «Хьюз Эйркрафт» 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.
Дополнительные кабельные затухания. Также к затуханию относятся собственные потери волокна, а также в волокнах появляются дополнительные, или кабельные потери (рассматривали макро- и микропотери).
Дополнительные потери определяются в основном процессами рассеяния энергии на неоднородностях, возникающих вследствие перечисленных влияний, и частично увеличением потерь на поглощение энергии. Причинами увеличения потерь на поглощение являются остаточные осевые и поперечные напряжения в ОВ, могущие возникнуть при изготовлении кабеля.
В ряде случаев микроизгибы могут существенно влиять на прирост αк. Значение потерь на одном микроизгибе может изменяться в пределах (0,01÷0,1) дБ. Основными причинами появления микроизгибов являются локальные неосесимметричные механические усилия различного происхождения, приложенные к очень малым участкам ОВ. Особенностями микроизгибов является то, что они, как правило, многочисленны, расстояние между соседними микроизгибами существенно больше их размера. Общий вклад потерь, создаваемых микроизгибами, может быть значителен. Вследствие микроизгиба происходит ограничение апертурного угла излучения, распространяющегося по ОВ, и часть энергии излучается из ОВ.