Затухание в оптическом волокне

3.1. Виды и причины затухания

Затухание сигнала α в оптическом волокне происходит по ряду причин:

α = α_п + α_р + α_пр + α_к , где (3.1)

α_п – затухание поглощения;

α_р– затухание рассеяния;

α_пр – затухание на примесях;

α_к– затухание кабельное.

Затухание поглощения происходит вследствие изменяющейся поляризации молекул под действием электромагнитного поля света (рис. 3.1).

Рис.3.1. Собственное затухание (затухание поглощения)

С ростом частоты всё больше проявляется инерция молекул, они не успевают реагировать, и затухание уменьшается, так что затухание поглощения обратно пропорционально первой степени длины волны.

α_п = (3.2) .

Большую величину имеет затухание рассеяния α_р . Его причиной является столкновение фотонов с атомами и неоднородностями в волокне (рис.3.2). При этом происходит упругое рассеяние, фотон отражается при столкновении и изменяет направление движения, которое происходит уже не в пределах угла полного внутреннего отражения, в результате чего фотон высвечивается

Рис.3.2. Релеевское рассеяние фотонов

Этот вид упругого рассеяния называется также рассеянием Релея или релеевским рассеянием. Оно обратно пропорционально четвёртой степени длины волны и, значит, быстро убывает с ростом длины волны:

α_р = (3.3).

Примеси посторонних веществ, таких как W, Fe, Mb, ионов OH и других создают дополнительное затухание в своих резонансных точках. Наибольшее затухание при этом вносят ионы гидроксильной группы ОН^- , которые имеют два резонансных пика поглощения в используемом диапазоне волн: при λ = 1.2 и λ = 1.4 мкм. При длине волны свыше 1.7 мкм начинается так называемый инфракрасный срез - тепловые колебания молекул и резкое увеличение затухания. Общий ход кривой затухания для классического кварцевого волокна показан на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Вид кривой затухания для классического кварцевого волокна

Видно, что в используемой полосе частот (длин волн) имеются три окна прозрачности: при длинах волн 0.85, 1.3 и 1.55 мкм. Увеличение затухания при длинах волн 1.2 и 1.4 мкм происходит из-за наличия в кварце ионов гидроксильной группы ОН.

Кроме того, дополнительное затухание создают изгибы, плохие стыки и т.д.

3.2. Затухание на изгибах

При изгибе волокна возникает дополнительное затухание, вследствие того, что длина пути вдоль верхней и нижней образующих волокна неодинаковы (рис.3.4). Так как скорость света постоянна, то “излишки” света высвечиваются.

Рис.3.4

Кроме того, при изгибе изменяется угол отражения проходящих лучей, так что многие из них уже не удовлетворяют условию полного внутреннего отражения (Рис.3.5).

Рис.3.5.

При повороте волокна часть модового пятна смещается в оболочку, так что на изгибе слегка изменяется и дисперсия (рис.3.6).

Рис.3.6. Смещение модового пятна на изгибе волокна

В реальном оптическом кабеле волокна относительно свободно расположены в трубках или пазах, чтобы не быть натянутыми и иметь степень свободы при поворотах и изгибах кабеля. Для устойчивости и прочности конструкции эти трубки и пазы идут по геликоиде вдоль упрочняющего сердечника, так что небольшой изгиб волокна всегда присутствует в кабеле. Этот вид затухания обычно называется кабельным затуханием. При монтаже и соединении волокон разных строительных длин возможны ошибки как в процессе юстировки (точного соединения торцов волокон), так и в процессе сварки, что приводит к дополнительному затуханию (рис.3.7). Коэффициент передачи (η = , где Р₁ - мощность перед стыком, Р₂ - мощность после стыка) при малых значениях отклонений равен в случае:

радиального смещения η_р ≈ 1 - ;

осевого смещения η_о ≈ 1 - NA· ; (3.4)

углового смещения η_у ≈ 1 – .

Рис.3.7. Возможные стыковые неоднородности при соединении волокон

3.3. Ширина полосы пропускания оптического кабеля и определение длины регенерационного и усилительного участка.

Дисперсия ограничивает скорость F передачи сигналов по волокну: F ≤ (см. рис. 1.5) В одномодовом кабеле длиной L дисперсия равна τ = τ₁·L , где τ_{1 -} дисперсия на длине в 1 км, поэтому величина

F = (3.5)

характеризует максимальную допустимую скорость передачи по волокну длиной L. Величина F на длине в 1 км называется полосой пропускания кабеля, а величина

F = 1 /( τ₁ ·L) называется пропускной способностью кабеля на длине L. Полоса пропускания уменьшается с длиной участка и определяет максимальную частоту или скорость передачи символов по кабелю данной длины. Зная полосу пропускания и скорость передачи, можно определить максимальную длину участка, по которому возможна передача. После этого необходима регенерация сигналов. Ширина полосы пропускания в МГц·км указывается в документах на кабель.

Кроме дисперсии сигнал испытывает затухание, и максимальная длина участка определяется также мощностью сигнала в начале линии и величиной затухания на длине L

а = α L (3.6).

Максимальная длина усилительного участка с учётом возможностей аппаратуры по компенсации затухания обычно определяется из выражения:

L ≤ ( Э – З – А ) / α (3.7) , где

Э = Р – Q ≈ 35 дБ - энергетический потенциал;

Р – мощность передачи; Q – мощность на приёме;

З ≈ 10 дБ – запас для компенсации старения;

А - потери в аппаратуре;

α - среднее затухание в кабеле (вместе со стыками) на 1 км длины.

Таким образом, длина регенерационного участка определяется по минимальному из двух условий: (3.5) и (3.7). Сказанное иллюстрируется графиком рис.3.7.

Рис. 3.7. Определение длины регенерационного участка по скорости передачи F и величине допустимого затухания a