чем в основном обусловлено затухание сигналов в волоконных световодах

2.1 Основные составляющие оптических потерь

2.1.1 Затухание

Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяющегося в волокне сигнала, тем больше может быть расстояние между регенераторами или повторителями.
Потери оптической мощности по мере распространения света по волокну называются затуханием α,которое определяется отношением оптических мощностей на входе P_вх и выходе P_вых.
Для оценки таких величин по решению Международного Консультативного Комитета по Телеграфии и Телефонии (МККТТ) от 1971 г. используются логарифмические единицы с основанием 10 (десятичные логарифмы). Поэтому величина затухания α выражается в децибелах [дБ]:

и называется коэффициентом затухания света в ОВ.
Затухание оптической мощности на один километр длины l оптического волокна (погонное или удельное затухание) определяется коэффициентом полных потерь световой энергии в ОВ

На затухание влияют такие факторы, как: потери на рассеяние; потери на поглощение в материале волокна; поглощение на примесях; кабельные потери. Потери на рассеяние и поглощение называются собственными потерями, в то время как кабельные потери, в силу их природы, называют также дополнительными потерями (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Структура основных типов потерь в ОВ

Полное затухание в волокне определяется в виде суммы:

2.1.2 Рэлеевское рассеяние

Это рассеяние обусловлено рассеянием света на случайных изменениях плотности волокна. В действительности же плотность стекла не является однородной. В результате этого и возникает рассеяние. Рассеяние на неоднородностях происходит во всех направлениях (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Механизм основных потерь в ОВ

2.1.3 Поглощение в материале волокна

Это поглощение в волокне, обусловленное свойствами материала и рабочей длиной волны, имеет место при возбуждении в материале:

В результате этого энергия света переходит в тепловую.
Резонансы в ультрафиолетовой (УФ) области спектра связаны с электронными структурами атомов кристаллической решётки. Резонансы в инфракрасной (ИК) области обусловлены колебаниями самих атомов в решётке.
Хотя эти резонансы и лежат весьма далеко от тех оптических частот, которые используются в ВОСП, однако они вызывают столь сильное поглощение, что «хвосты» их полос поглощения захватывают эту область при очень малом уровне потерь.
Можно показать, что погонные потери энергии на поглощение в материале ОВ до ИК-области составляют:

2.1.4 Поглощение примесями

2.1.5 Спектральная зависимость потерь

Таким образом, при распространении оптического сигнала внутри волокна происходит его экспоненциальное затухание, вызванное потерей мощности P и обусловленное различными линейными и нелинейными механизмами взаимодействия световых волн (частиц) со средой волокна.
Закон затухания имеет вид:

Анализ потерь показывает, что собственные резонансные частоты SiO₂, примесей и гидроксильных групп (ОН) оставляют для ОВ лишь несколько окон прозрачности при их использовании в магистральных трактах ВОЛС.
На рисунке 2.3 приведена типичная для кварцевых ОВ спектральная зависимость суммарных собственных потерь.

Рисунок 2.3 – Обобщённая спектральная зависимость собственных потерь в кварцевом ОВ

Представленная кривая потерь позволяет выделить три окна прозрачности с центрами в точках 850, 1300, 1550нм.

2.1.6 Кабельные потери

При строительстве и эксплуатации оптических кабельных линий возможно появление так называемых эксплуатационных потерь. Они обусловлены скруткой, деформацией и изгибами волокон, возникающих при наложении покрытий и защитных оболочек при производстве кабеля, а также в процессе его прокладки (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Потери на изгибах волокна

Потери на микроизгибах обусловлены преобразованием направляемых мод в моды излучения. Они резко возрастают и становятся недопустимо большими, как только радиус изгиба уменьшается до критического значения, которое для типичных ОВ составляет несколько сантиметров. На рисунке 2.4 показано, как вариации границы ОВ могут приводить к отражению мод высокого порядка под углами, при которых дальнейшее прохождение света по ОВ становится невозможным. При этом свет покидает волокно. Развитие технологии производства ОВ и ВОК направлено на уменьшение этих микронеоднородностей.

Источник

Чем в основном обусловлено затухание сигналов в волоконных световодах

Рис.3.Основные типы потерь в волокне

Полное затухание в волокне (измеряется в дБ/км) определяются в виде суммы:

a = a int + a rad = a abs + a sct + a rad ;(2)

Потери на поглощение a abs состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение), так и из потерь, связанных с поглощением света на примесях. Примесные центры, в зависимости от типа примеси, поглощают свет на определенных длинах волн (присущих данной примеси) и рассеивают поглощенную световую энергию в виде джоулевского тепла.Собственные потери на поглощении растут и становятся значимыми в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. При длине волны излучения выше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным из-за роста потерь, связанных с инфракрксным поглощением.

Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерями вследствие рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения.

Кабельные (радиационные) потери a md обусловлены скруткой, деформациями и изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек, при производстве кабеля, а также в процессе инсталляции ВОК. Дополнительные радиационные потери появляются, если радиус изгиба кабеля становится меньше минимального изгиба, указанного в спецификации ВОК.

Дисперсия определяет ширину полосы частот, пропускаемых световодом. Дисперсия представляет собой рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Основным источником возникновения дисперсии является некогерентность источника излучения и конечная ширина спектра, а также существование большого числа мод.

Дисперсия в характеризуется тремя основными факторами:

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Результирующая дисперсия t определяется формулой:

t 2 = t 2 mod + t 2 chr = t 2 mod + ( t 2 mat + t 2 w ) 2 ;(3)

Рис.4. Виды дисперсий

Значение межмодовой дисперсии у градиентного волокна значительно меньше, чем у ступенчатого, что делает его наиболее предпочтительным для использования в линиях связи. На практике, особенно при описании многомодового волокна часто, пользуются термином полоса пропускания W.

Измеряется полоса пропускания в МГц км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов. Физический смысл W – это максимальная частота (частота модуляции) передаваемого сигнала при длине 1 км.

Излучение внешнего источника возбуждает в световоде несколько типов волн, которые называются модами.

Апертурой называется максимальный угол q A между оптической осью и основным лучом, падающим на торец многомодового волокна, при этом выполняется условие полного внутреннего отражения. То есть апертура это способность световода принимать световую энергию.

Числовая апертура NA, важный параметр она связана с максимальным углом q A вводимого в волокно излучения из свободного пространства, при котором свет испытывает полное внутреннее отражение, с ее помощью можно найти число мод для различных видов световода:

Источник

Важнейшими параметрами волоконного световода являются оптические потери и затухание передаваемой энергии. Эти параметры определяют дальность связи по ВОК и его эффективность. Затухание в оптических волокнах обусловлено проявлением следующих потерь:

α _c – собственные потери волоконных волноводов
α _k – дополнительные кабельные потери
α _ik – потери на поглощение в инфракрасной области
α _pr – потери, вызванные присутствием в оптических волокнах примесей

Собственные потери волоконных световодов состоят, в свою очередь, из потерь на поглощение α _p и потерь на рассеяние α _r :

Затухание в результате поглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, существенно зависит от свойств материала оптического волокна и рассчитывается по следующей формуле:

tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь

Затухание в инфракрасной области, расположенной в диапазоне длин волн свыше 1,6 мкм, рассчитывается по формуле:

C и k – постоянные коэффициенты. Для кварцевого стекла C = 0,9; k = (0,7—0,9) мкм.

С – коэффициент рэлеевского рассеяния.

Рекомендуем хостинг TIMEWEB

Рекомендуемые статьи по этой тематике

Источник

Важнейшими параметрами волоконного световода являются оптические потери и затухание передаваемой энергии. Эти параметры определяют дальность связи по ВОК и его эффективность. Затухание в оптических волокнах обусловлено проявлением следующих потерь:

α _c – собственные потери волоконных волноводов
α _k – дополнительные кабельные потери
α _ik – потери на поглощение в инфракрасной области
α _pr – потери, вызванные присутствием в оптических волокнах примесей

Собственные потери волоконных световодов состоят, в свою очередь, из потерь на поглощение α _p и потерь на рассеяние α _r :

Затухание в результате поглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, существенно зависит от свойств материала оптического волокна и рассчитывается по следующей формуле:

tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь

Затухание в инфракрасной области, расположенной в диапазоне длин волн свыше 1,6 мкм, рассчитывается по формуле:

C и k – постоянные коэффициенты. Для кварцевого стекла C = 0,9; k = (0,7—0,9) мкм.

С – коэффициент рэлеевского рассеяния.

Рекомендуем хостинг TIMEWEB

Рекомендовані статті на цю тему

Источник

Затухание в волоконных световодах

Из приведенных данных следует, что оптическое волокно имеет достаточно малое затухание, которое зависит от длины волны излучения. На рис. 7.13 приведена спектральная зависимость затухания, на которой ярко выражены минимумы затухания в некоторых диапазонах длин волн. Эти диапазоны длин волн называются окнами прозрачности ВС. Центральные длины волн в этих окнах составляют: 0,85 мкм для первого, 1,3 мкм для второго и 1,55 мкм для третьего окон прозрачности. Первоначально для практического применения было освоено первое окно прозрачности, т.к. уже в середине 70-х годов существовали источники оптического излучения с длиной волны 0,85 мкм, это красная граница видимого спектра. В настоящее время освоены второе и третье окна прозрачности (невидимое излучение) и ведутся работы по освоению ближнего инфракрасного диапазона ( =2–4 мкм). Освоение этого диапазона позволит несколько увеличить диаметр сердцевины одномодового ВС, что упростит технологию производства ВС.

Рисунок 7.13 – Спектральная зависимость затухания ВС

Таблица 7.2 – Затухание для различных сред передачи

Среда распространения	, дБ/км	, мкм
Обычное силикатное стекло	0.4–0.8
Многокомпонентное стекло	0.4–0.8
Кварцевое волокно	0.85
Кварцевое волокно	1.3
Кварцевое волокно	0.5	1.55
Волокна на основе циркониевых стекол	0.01–0.005	2–10.6
Полимерные волокна	200–400	0.4–1.5
Атмосфера	0.85
Симметричный кабель	2–5	–
Коаксиальный кабель	8–13	–

Основными причинами возникновения потерь в ВС являются поглощение и рассеяние энергии. Потери вследствие поглощения подразделяются на собственные и несобственные. Собственное поглощение вызвано взаимодействием распространяющейся световой волны с компонентами материала световода и оболочки, не содержащего примесей. Поглощение энергии в этом случае ведет к квантовым переходам между различными электронными и молекулярными энергетическими уровнями вещества. Эти явления носят резонансный характер, чем объясняются всплески на кривых (рис. 7.13).

Несобственное поглощение обусловлено наличием примесей даже в ничтожном количестве, исчисляемом иногда единицами атомов примеси на миллион атомов собственного вещества. Особенно значительное поглощение вызывает наличие ионов некоторых металлов (медь, хром, железо, никель) и наличие в материале ионов гидроксильных групп ОН. Основным механизмом этих потерь является резонансное поглощение энергии атомами и ионами примесей на различных длинах волн.

В общем случае в BС в режиме линейной оптики (при малых значениях оптической мощности) наблюдается три основных вида рассеяния: рэлеевское, молекулярное и лучевое. Фундаментальным линейным эффектом является рассеяние Рэлея. Это рассеяние не зависит от интенсивности света. Оно обусловлено микролокальными флюктуациями показателя преломления вещества, которые, в свою очередь, возникают за счет микроскопических неоднородностей в материале, т.к. стекло имеет аморфную, а не кристаллическую структуру. Эти неоднородности намного меньше длины волны и растут пропорционально . Эти потери являются неустранимыми.

Увеличение числа компонентов в стекле для формирования необходимого профиля показателя преломления увеличивает рэлеевское рассеяние. Кварцевое стекло имеет минимальные потери на рэлеевском рассеянии.

Полное затухание в материале волоконного световода определяется суммой потерь

; ; ,

где — потери вследствие поглощения; — потери вследствие рассеяния; — собственные потери; — потери рэлеевского рассеяния; — потери молекулярного рассеяния; — потери лучевого рассеяния.

Лучевое рассеяние возникает на крупных частицах, размеры которых больше длины волны излучения. Молекулярное рассеяние возникает на частицах соизмеримых с длиной волны оптической несущей.

Рис. 7.14 – Механизм потерь на микроизгибах а) и макроизгибах б)

Источник