4. Расчет затухания в оптических кабелях Методические указания Затухание в оптических волокнах

Затухание является важнейшим параметром оптических кабелей. Затухание обусловлено собственными потерями в волоконном световоде α_c и дополнительными потерями, так называемыми кабельными, α_к, обусловленными скруткой, а также деформацией и изгибами оптических волокон при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления ОК:

α = α_c + α_к (28)

Собственные потери волоконного световода состоят из потерь поглощения α_п и потерь рассеяния α_р:

α = α_п + α_р. (29)

Потери, возникающие при распространении сигнала по волоконному световоду, объясняются тем, что часть мощности, поступающей на вход световода, рассеивается вследствие изменения направления распространения лучей на нерегулярностях и их высвечивания в окружающее пространство (α_р), другая часть мощности поглощается как самими молекулами кварца (α_п), так и посторонними примесями (α_пр), выделяясь в виде джоулева тепла. Примесями могут являться ионы металлов (никель, железо, кобальт и др.) и гидроксильные группы (ОН), приводящие к появлению резонансных всплесков затухания. В результате суммарные потери определяются из выражения:

α = α_п + α_р + α_пр + α_к . (30)

Затухание за счет поглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет с частотой, существенно зависит от свойств материала оптического волокна (tgδ) и рассчитывается по формуле (8). Потери рассеяния обусловлены неоднородностями материала волоконного световода, расстояния между которыми меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления. Величина потерь на рассеяние, называемое рэлеевским, определяется по формуле (9). Потери на релеевское рассеяние определяют нижний предел потерь, присущих волоконным световодам. Этот предел различен для различных волн и с увеличением длины волны уменьшается. Потери на поглощение растут линейно с увеличением частоты, а потери на рассеяние существенно быстрее - по закону ƒ⁴.

При распространении электромагнитной волны с λ>2 мкм начинают интенсивно расти потери на поглощение. Это обусловлено иным механизмом потерь кварцевых ВС в инфракрасной области спектра. Эти потери пропорциональны показательной функции и уменьшаются с ростом частоты по закону:

где

• С и k постоянные коэффициенты (для кварца k=(0,7 – 0,9).10^-6 м, С=0,9).

В световоде существует три окна прозрачности: первое окно прозрачности на длине волны 0,85 мкм, второе окно прозрачности на длине волны 1,3 мкм и третье окно прозрачности на длине волны 1,55 мкм. Наименьшее затухание имеется в третьем окне прозрачности.

Затухание в оптических кабелях

Дополнительное затухание, обусловленное кабельными потерями (α_к), состоит из суммы по крайней мере семи видов парциальных коэффициентов затухания:

где

• α_1΄ - возникает вследствие приложения к 0В термомеханических воздействий в процессе изготовления кабеля;

• α_2΄ - вследствие температурной зависимости коэффициента преломления материала ОВ;

• α_3΄ - вызывается микроизгибами ОВ;

• α_4΄ - возникает вследствие нарушения прямолинейности ОВ (скрутка);

• α_5΄ - возникает вследствие кручения ОВ относительно его оси (осевые напряжения скручивания);

• α_6΄ - возникает вследствие неравномерности покрытия ОВ;

• α_7΄ - возникает вследствие потерь в защитной оболочке ОВ.

Таким образом, 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 α_к. Значение потерь на одном микроизгибе может изменяться в пределах 0,01-0,1 дБ. Приращение затухания от микроизгибов α_3΄ зависит от мелких локальных нарушений прямолинейности ОВ, характеризуемых смещением оси ОВ в поперечных направлениях на участке микроизгиба. Основными причинами появления микроизгибов являются локальные неосесимметричные механические усилия различного происхождения, приложенные к очень малым участкам ОВ. К микроизгибам следует отнести такие поперечные деформации ОВ, для которых максимальное смещение оси ОВ соизмеримо с диаметром сердцевины волокна. 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. Зависимость приращения затухания от микроизгибов α_3΄ можно определить из выражения:

где

. • k₃=0,9 - l,0;

• n_h- число неоднородностей в виде выпуклостей со средней высотой У_н на единицу длины;

• а - радиус сердцевины;

• b - диаметр оптической оболочки;

• Δ - относительное значение показателя преломления;

• n₁ и n₂-показатели преломления сердцевины и оболочки;

• Ео и Ес - модули Юнга оболочки и сердцевины ОВ.