Глава 16. Физическая природа ослабления сигналов в процессе их распространения по стекловолокнам

ВВЕДЕНИЕ

В процессе распространения импульса света по стекловолокну его искажения обусловлены двумя основными причинами: уменьшением амплитуды и увеличением длительности.

В настоящем разделе рассматриваются основные физические про­цессы, вызывающие уменьшение амплитуды импульса

Затухание сигнала обусловлено двумя основными причинами: поглощением света валентными электронами стекловолокна и рассея­нием фотонов на микронеоднородностях, фононах и макроскопических дефектах.

1. Поглощение света в стекловолокне

В основе процесса распространения света в любом диэлектри­ке лежит фотон-электронное взаимодействие. Валентный электрон, поглотив фотон, частоты , переходит на более высокий энер­гетический уровень. Возвращаясь в исходное состояние, электрон испускает вторичный фотон той же частоты . Такой процесс повторяется многократно и энергия электромагнитного поля посте­пенно передаётся от одного узла структуры к другому до тех пор, пока волна не покинет пределов диэлектрика. Поскольку на транс­формацию энергии уходит определенное время, скорость распростра­нения волны в диэлектрике уменьшается по сравнению с её скоростью в вакууме в раз , где - абсолютный показатель преломления.

Отдельные фотоны поглощаются узлами кристаллической струк­туры и их энергия переходит в энергию фононов (тепловых колебаний ионов в узлах). Такой процесс не сопровождается генерацией вторич­ных фотонов и является одной из причин связанных с поглощением света диэлектриком.

Поглощение света резко возрастает на частотах

где - собственная циклическая частота колебаний валентного электрона диэлектрика, а - его коэффициент затухания.

Наиболее полную информацию о поглощении света диэлектриком можно получить из зависимости его абсолютного показателя преломления ( ) от частоты ( ).Для диэлектриков с единственным валентным электроном в узле структуры, эта зависимость имеет вид (раздел 9.2):

, (16.1)

где - объемная плотность связанных зарядов диэлектрика,

- заряд электрона,

- его масса,

- электрическая постоянная.

Если валентных электронов ,

, (16.2)

Формулы (16.1) и (16.2) являются следствием из электронной теории материальной дисперсии .

График функции (16.2) показан на рисунке 16.1. Из рисунка 16.1 видно, что в таком диэлектрике поглощение является резонансным на частотах , соответствующих областям аномальной дисперсии.

Между областями аномальной дисперсии располагаются участки нормальной дисперсии , для которых поглощение значительно меньше, поскольку

. (16.3)

Частотный диапазон

в таком диэлектрике будет перспективен при изготовлении из него стекловолокон.

С учетом (16.3), формула (16.2) преобразуется к виду:

Рисунок 16.1

. (16.4)

При переходе от к , получаем из (16.4):

(16.5)

Как известно, одним из основных материалов используемых для изготовления стекловолокон является плавленым кварц высокой чистоты.

Расчет по формуле (16.5) дает для следующее выражение

, (16.6)

где - длина световой волны в микронах. Формула (16.6) хорошо согласуется с экспериментальными результатами в интервале длин волн

и носит название дисперсионной формулы Солмейера.

График зависимости , рассчитанный по формуле (16.5), пока­зан на рис.16.2. Участок соответствует аналогичному участку на графике общего вида (рис. 16.1).

Рисунок 16.2

Рисунок 16.3

Известно, что чистый практически не используется для изготовления стекловолокон. Для изготовления сердцевины в плав­леный кварц вводят примеси которые повышают абсолютный показатель преломления .

При создании оболочки, кварц легируют примесями и другими, которые понижают значение абсолютного показателя пре­ломления.

В результате добиваются требуемого результата: абсолютный показатель преломления сердцевины становится больше чем у оболочки .

Однако, введение указанных примесей сужает диапазон рабочих длин волн в ИК-диапазоне , поскольку любая примесь, вводимая в имеет собственную полосу резонансного поглощения. Следует заметить, что «хвосты» от резонансной кривой поглощения , для любой примеси, простираются от как в сторону , так и в сторону (рис. 16.3).

К особо опасным примесям следует отнести гидроксильную группу , которая способна внедряться в стекловолокно в процессе его роста как из расплава, так и из газовой фазы. Группы образуются из паров , которые всегда находятся в воздухе.

Поглощение, связанное с группой , обусловлено собственным периодом колебаний ионной связи и и проявляется на длинах волн: 1,39 – 1,24 – 1,13 – 0,95 – 0,88 - 0,72 мкм. Группы способны вызывать поглощение от 1 дБ/км и более.