Потери в оптических волокнах

Распространение излучения по волоконному световоду сопровождается потерями, в результате чего мощность излучения в выходном торце меньше мощности введенного в волокно излучения. Потери зависят от свойств световода и его длины. Их характеризуют коэффициентом затухания , выраженным в децибелах на один километр длины световода. Если мощность, введенная в световод длиной через входной торец, равна , а выходная мощность составила , то коэффициент затухания определяется соотношением

, [дБ/км]. (83.1)

Коэффициент затухания является паспортной характеристикой волоконного световода. В оптических волокнах основные потери при распространении связаны с поглощением и рассеянием излучения. При изготовлении волокон используют совершенную технологию, чтобы свести потери к минимуму. Однако существуют принципиальные физические ограничения, которые не позволяют пол­ностью исключить их. К основным причинам потерь относятся: 1) собственное поглощение ( ); 2) рэлеевское рассеяние ( ); 3) примесное поглощение ( ). С учетом этого коэффициент затухания можно представить в виде

. (83.2)

Собственное поглощение обусловлено поглощением излучения веществом, из которого сделана сердцевина световода. Для кварца, который наиболее широко используется в волоконной оптике, это поглощение происходит в ИК-диапазоне длин волн и становится определяющим при мкм. Для меньших длин волн (вплоть до УФ-диапазона) собственным поглощением можно пренебречь. Потери на собственное поглощение с увеличением длины волны возрастают по экспоненциальному закону:

, (83.3)

где и – постоянные. Для кварца 0,7…0,9 мкм.

Рэлеевское рассеяние вызвано флуктуациями показателя преломления и резко уменьшается с увеличением длины волны:

, (83.4)

где – постоянная, зависящая от материала сердцевины. Для кварца и при рэлеевское рассеяние дает незначительный вклад в общие потери.

Примесное поглощение связано с наличием в материале сердцевины посторонних примесей. Для современных волокон основное влияние оказывают остатки воды в виде гидроксильных групп ОН. Гидроксильные группы дают резонансные пики поглощения вблизи длин волн 0,95; 1,25 и 1,39 мкм.

С учетом перечисленных видов потерь спектральная зависимость коэффициента затухания кварцевого волокна имеет вид, изображенный на рисунке 83.1. Из графика видно, что потери в кварцевом волокне минимальны для длин волн 1,3 мкм и 1,55 мкм. Вблизи этих длин волн выделены спектральные диапазоны, называемые соответственно вторым (2ОП: 1,28…1,33 мкм) и третьим (3ОП: 1,53…1,56 мкм) окнами прозрачности. Первое окно прозрачности (1ОП) лежит в диапазоне 0,78…0,86 мкм. Хотя в этом диапазоне потери значительно больше минимальных, именно этот диапазон длин волн был первым освоен для оптической связи.

К перечисленным потерям следует добавить дополнительные потери, связанные с рассеянием на микроизгибах и микротрещинах, а также рядом других факторов, действующих на этапе изготовления и прокладки световодов. Современные высококачественные кварцевые волокна имеют коэффициент затухания в третьем окне прозрачности 0,2 дБ/км, что близко к теоретическому пределу.

Полимерные световоды дешевле кварцевых, но имеют значительно большее затухание, поэтому используются на коротких расстояниях.

Дальнейшее снижение потерь в оптических волокнах связывают с освоением среднего ИК-диапазона длин волн (2…10 мкм). Лабораторные исследования показывают, что в этом диапазоне для специальных материалов (фтористые и халькогенидные стекла, поликристаллические материалы) возможно снижение коэффициента затухания до 0,01–0,02 дБ/км.