5.5. Затухание сигнала в оптическом волокне

При передаче по оптическому волокну сигнал испытывает затухание, ко­торое обуславливается рядом причин: поглощением энергии на поляризацию молекул; поглощением энергии в примесях; поглощением и рассеянием на неоднородностях и изгибах, в результате чего меняется направление распростра­нения лучей и происходит их высвечивание и т.д.

Затухание α(дБ/км) можно разделить на собственное затухание материа­ла α _с и кабельное затухание α_к, которое обусловлено деформацией и изгибами волокна при скрутке и наложении покрытий. В свою очередь собственные поте­ри α _с складываются из потерь на поглощение (поляризацию молекул α_n и по­глощение в примесях α _пр ) и потерь на рассеивание α _р.

Таким образом: α = α _с + α _к = α_n + α _пр+ α _р + α _к

Нижний предел затухания определяется величиной затухания рассеяния α _р, которое возникает вследствие неоднородности материала и тепловых флуктуа­ции показателя преломления. Величина α_р определяется формулой Релея: , а само рассеивание иногда называется релеевским. На рис. 33 пунктиром схема­тически показан теоретический ход затухания в волокне в зависимости от дли­ны волны света. Вторая пунктирная кривая α _ик, возрастающая по мере роста длины волны, показывает потери, идущие на тепловые колебания молекул (так называемый "инфракрасный срез"). На ход этих кривых налагаются потери по­глощения и кабельные. Суммарная кривая затухания показана сплошной линией. При прокладке магистрали к этим потерям добавляются потери в стыках при скрещивании строительных длин и потери в изгибах кабеля.

Небольшие взбросы в начале результирующей кривой при малых λ обу­словлены поглощением энергии тяжелыми ионами примесей металлов Сr, Fе, Сu и т.д. Два больших выброса в середине графика обязаны своим происхожде­нием резонансным поглощением иона ОН^- (гидроксильной группы) возни­кающей из-за присутствия молекул воды: Н₂О → Н⁺ ↑+ОН^- .

Рис. 33.

Обращают внимание три больших минимума затухания на длинах волн 0,85; 1,3 и 1,55 мкм; они называются "окнами прозрачности". В этих окнах и осуществляется работа ВОЛС.

В последние годы разработан ряд новых типов волокон кривая затухания которых сильно отличается от приведённой на рис. 33. С помощью современных методов очистки удалось избавится от 2^го типа поглощения на волне 1,4 мкм. Эти волокны имеют ряд особенностей. Международный союз электросвязи разработал ряд рекомендаций по использованию этих волокон.

Рекомендуется МСЭ-т 9.651 относится к обычным многомодовым волокнам, работающим в первом окне прозрачности на волне  = 0,85. Это обычное волокно и его производство составляет 11% от производства всего волокна в мире.

Рекомендация 9.652 также относится к обычным одномодовым волокнам с несмещённой нулевой дисперсией, т.е. с дисперсией на волне  = 1,3 мкм равно нулю. Это дешевое волокно с высокой механической прочностью. Его изготовление составляет 57% всего волокна в мире.

Рекомендация 9.653 характеризует одномодовое волокно со смещённой нулевой дисперсией, у него и минимальное затухания, и нулевая дисперсия находятся в третьем окне прозрачности при  = 1,55 мкм.

Рекомендация 9.654 определяет как и 9.653 одномодовое волокно со смещенной нулевой дисперсией в область  = 1,55 мкм и при этом с минимизированными потерями у этого ОВ  = 0,154 дБ/нм.

Волокно по рекомендациям 9.653 и 9.654 не получили широкого распространения, т.к. они плохо работают с оптическими усилителями и вдобавок обладают большой хрупкостью.

Рекомендация 9.655 характеризует волокна со смещённой, но ненулевой дисперсией. Эти ОВ дороже, но они хорошо работают с оптическими усилителями и позволяют работать по технологии WDM, т.е. при волновом мультиплексировании обеспечивая одновременную передачу по волокну нескольких десятков волновых каналов с применением эрбиевых усилителей, что позволяет существенно снизить затраты на один канал и пропускать огромные объёмы информации с большой скоростью (до 40 Гбит/с). Объём производства этих волокон составляет 32%.

При увеличении передаваемой мощности могут происходить изменения в самом материале волокна, связанные с вынужденным комбинационным рассеи­ванием. Бомбардировка молекул фотонами становится столь велика, что проис­ходит переход колеблющихся электронов в молекулах на другие орбиты с последующим излу­чением на других длинах волн. Это явление называется рассеянием Мандель-штама-Брюллиэна. Критическая мощность составляет величину 100 мВт для одномодовых волокон и 2,5 Вт для многомодовых. Обычно используется мощ­ность до 50 мВт. При ещё большем увеличении мощности излучения (свыше 1 Вт) возникает захват фотонов молекулами и их обратное излучение на другой частоте. Часто энергии при этом выделяется в виде звуковых колебаний (фоноков). Это явление носит название рассеяния Рамана.

На затухании оптического волокна сказываются изгибы волокна и потери на стыках следствие не­полного геометрического совпаде­ния сечений свариваемых или со­единяемых волокон.

Если волокно изогнулось на угол dφ (Рис. 34), угол падения луча на внутреннюю поверхность изменится на 2 dφ. Если луч падает под углом полного внутреннего отражения, то после изгиба угол падения изменится и произойдет высвечивание луча, высвечивание энергии при изгибе можно объяс­нить и несколько по другому (рис. 34 б). Скорость распространения вдоль оси волокна равна с/n₁ . При изгибе с радиусом R внутренняя дуга изгиба короче внешней. Чтобы свет одновременно пришел от всех элементов сечения S₁ к сечению S₂ скорость луча на внешней дуге должна превышать скорость света, а на внутренней дуге быть меньше. Это невозможно, и чтобы поток был непрерывным, часть энергии высвечивается, появляются лишние моды и дополнительная дисперсия, таким образом, при всякой скрутке волокна в кабеле происходят потери.

а) Рис. 34