Затухание сигнала в волоконных световодах

Затухание световодных трактов волоконно-оптических кабелей характеризуется собственными потерями в волоконных световодах (а_соб) и дополнительными потерями, обусловленными деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитной оболочки при изготовлении кабеля (а_доп).

Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения а_п и потерь рассеяния а_Р.

Потери на поглощение существенно зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей (а_пр) могут быть значительными.

Затухание в результате поглощения а_п дБ/км, связано c потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет c частотой, существенно зависит от свойств материала световода (tg δ) и определяется по формуле

где n₁ − показатель преломления сердцевины; λ − длина волны, мкм; tgδ − тангенс угла диэлектрических потерь световода (для кварца составляет 10^-10).

Таким образом, частотная зависимость затухания в результате поглощения имеет линейный характер при постоянных значениях n.

Рассеяние обусловлено неоднородностями материала волоконного световода, размеры которых меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления. Потери на рассеяние, дБ/км, рассчитывают по формуле

где К_р − коэффициент рассеяния (для кварца(1…1,5)дБ/км·мкм⁴); λ − длина волны, мкм.

Такое рассеяние называется рэлеевским, она растет c частотой пропорционально f⁴.

Потери на рэлеевское рассеяние определяют нижний предел потерь, присущих волоконным световодам.

Следует отметить принципиальную разницу между характеристиками затухания симметричных (Е₀₁ и Н₀₁) и смешанном (НЕ₁₁) волн. Симметричные имеют критическую частоту f_кр, a смешанные ее не имеют.

Потери а_пр возникают за счет посторонних примесей, таких как гидроксильные группы, наличие ионов посторонних металлов и других включений. Резонансное возбуждение атомов и молекул примесей приводит к резкому возрастанию потерь на определенных длинах волн.

Одномодовые световоды, из-за меньших размеров световедущей сердцевины, позволяют, добиться лучшей степени очистки материала и за счет этого имеют меньшее затухание, чем многомодовые.

Дополнительные потери (кабельные) обусловлены скруткой, деформациями и изгибами волокон, a также потерями в процессе инсталляции кабеля. Потери на изгибах световодов возникают из-за изменения угла падения световой волны на границу раздела сердцевина-оболочка. Для части лучей угол падения становится меньше угла отражения, в результате в месте изгиба появляется большое количество излучаемых и вытекающих мод, вызывающих рост потерь. Для уменьшения потерь из-за изгибов рекомендуется не допускать малых радиусов изгиба кабеля (рис. 4.5).

Рисунок 4.5 − Зависимость дополнительных потерь от радиуса изгиба световода

Минимальные потери во время прокладки и эксплуатации достигаются при радиусах изгиба кабеля не менее 10-20 его внешних диаметров. При соблюдении ТУ на прокладку кабеля дополнительные потери составляют не больше 20% от полного затухания.

Окна прозрачности

Связь по волоконно-оптическим кабелям эффективна не на всех длинах волн, a только в определенных участках спектра, где достигаются минимальные потери. Области минимальных потерь получили название окон прозрачности (рис. 4.6).

Рисунок 4.1 −Собственные потери в оптическом волокне

Для кварцевых световодов практический интерес представляют три окна прозрачности, перечисленные в таблице 4.2. Характеристики полупроводниковых излучателей и фотоприемников оптимизированы для работы в этик окнах.

Таблица 4.2 − Окна прозрачности

Из таблицы 4.2 видно, что переход из первого во второе окно прозрачности дает существенный выигрыш по величине затухания, тогда как работа в третьем окне большого выигрыша в величине потерь не приносит. C другой стороны, по мере увеличения рабочей длины волны начинает быстро расти стоимость активных оптоэлектронных компонентов. Исходя из этих двух обстоятельств, в технике локальных сетей, где из-за сравнительно малой протяженности кабельных трасс стоимость оконечной аппаратуры относительно велика, в подавляющем большинстве случаев используют первое и второе окна прозрачности. Линии дальней связи, стоимость которых определяется в первую очередь длиной участка регенерации, работают в основном во втором и третьем окнах прозрачности, где кроме низкого затухания достигается также малая величина дисперсии.