5. Потери Рэлеевского рассеяния

Потери Рэлеевского рассеяния обусловлены тепловой флуктуацией показателя преломления и неоднородностями материала световода, расстояние между которыми меньше длины волны. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях, в результате часть его теряется в оболочке. Величина потерь на рассеяние _р, дБ/км, определяется по следующей формуле [1,3]:

(2)

где k_р – коэффициент Рэлеевского рассеяния, для кварца равный примерно (0,8 мкм^{4 .} дБ)/км. Здесь λ в мкм.

Потери на Рэлеевском рассеянии определяют нижний предел собственного затухания, соответствующий длине волны 1550 нм, и сильнее проявляются в области коротких длин волн.

Коэффициент Рэлеевского рассеяния зависит от режима тепловой обработки заготовки и уменьшается при снижении температуры вытяжки волокна. Таким образом, при уменьшении температуры вытяжки до 1800^оС и скорости вытяжки до 1м/с потери в оптических волокнах с легированной GeO₂ сердцевиной удалось уменьшить до 0,16 дБ/км и 0,29 дБ/км на длинах волн 1550 и 1310 нм, соответственно.

Дальнейшее уменьшение затухания может быть получено в оптических волокнах с так называемой депрессированной оболочкой. В световодах такого типа потери _р снижаются за счет уменьшения степени легирования сердцевины. Также уменьшаются потери, возникающие из-за дефектов, появляющихся при вытяжке волокна, т.к. сердцевина и оболочка лучше согласованы по вязкости.

6. Потери на поглощение

Потери на поглощение состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение) _п, так и из потерь, связанных с поглощением на примесях _пр.

Примесные центры, в зависимости от типа примеси, поглощают свет на определенных (присущих данной примеси) длинах волн и рассеивают поглощенную световую энергию в виде джоулева тепла. Затухание поглощения определяется соотношением [1,3]:

(3)

где tg – тангенс угла диэлектрических потерь в световоде, n- коэффициент преломления серцевины ОВ. Для спектральных диапазонов О, Е и S - n = 1,4677. Для спектральных диапазонов С, L и V - n = 1,4682. Сегодня tg очищенного стекла находится на уровне 10^-11 .

Тем не менее, уже к 1990 г. оптические волокна становятся настолько чистыми (99,9999%), что наличие примесей перестает быть основным фактором затухания. Спектральная характеристика затухания () сглаживается (рис. 2), при этом проявляются локальные максимумы резонанса поглощения на гидроксильной группе ОН^– (длины волн 1290 и 1383 нм).

Однако в последних разработках одномодовых оптических волокон за счет улучшения технологии очистки от водяных паров удалось снизить потери и в «водяном» пике. Подобные волокна получили название LWP (Low Water Peak Fiber) или ZWP (Zero Water Peak), при этом потери в области =13803 нм снижены до 0,31 дБ/км, что меньше, чем потери во втором окне прозрачности.

В таблице 2. приведены ведущие производители оптических волокон и соответствующие торговые марки волокон LWPF.

В качестве примера на рис. 4 приведены спектральные характеристики одномодовых оптических волокон Corning: (а) волокно SMF-28 с «водяным пиком» – в настоящее время снято с производства; (б) LWPF волокно SMF-28e.

Таблица 2

Производитель	LWPF
Corning	SMF-28eTM SMF-28e+TM
Alcatel	6901
Optical Fiber Solutions (OFS)	Allwave Truewave RS
Draka	ESMF
Fujikura	FutureGuide-LWP FutureGuide-SR15E
Sumitomo Electric Industries Ltd.	PureBandTM
Yangtze Optical Fibre and Cable (YOFC)	268WY
Pirelli	SMR

На длинах волн свыше 1600 нм начинают проявляться потери на инфракрасное поглощение, вызываемые колебаниями связи Si-O молекулы кварца SiO₂ , а в ультрафиолетовой части спектра – из-за резонанса электронов, поэтому инфракрасное поглощение часто называют ионным, а ультрафиолетовое – электронным.

Величина потерь на инфракрасное поглощение _ик пропорциональна показательной функции и уменьшается с ростом частоты по закону [4]:

(4)

где C и k – постоянные коэффициенты (для кварца k=0,7..0,9 мкм; С=0,9).

В 2002 рекордно минимальный коэффициент затухания  составил 0,151 дБ/км на длине волны =1568 нм (Sumitomo Electric Industries Ltd.). Предыдущий рекорд 0,154 дБ/км был установлен еще в 1986 г. и рассматривался как фактический предел. Сердцевина данного оптического волокна была изготовлена из чистого кварца, оболочка легирована фтором. Составляющие потерь принимали следующие значения: _р=0,128 дБ/км; _ик=0,014 дБ/км; примеси OH^– : 0,004 дБ/км; несовершенство ОВ: 0,004 дБ/км. Потери в диапазоне =1520…1606 нм не превышали 0,160 дБ/км.

(а)	(б)
Рис. 4. Спектральные характеристики коэффициента затухания одномодовых оптических волокон Corning: (а) волокно SMF-28; (б) LWPF волокно SMF-28e