Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

1. Основы распространения света в ОВ

1.3.1 Собственные потери

         Коэффициент затухания в ОВ обуславливается собственными потерями в волокне, потерями на изгибах и микроизгибными потерями. Собственные потери вызваны рассеянием света на неоднородностях в ОВ и поглощением, а записываются обычно в виде:

αпол = αрэл+ αсер+ αуф+ αик+ αприм+ αон                           (1.5),

где aрел – потери на релеевское рассеяние (когда размер неоднородностей меньше длины волны света); aсер –"серые" потери на рассеяние (когда размер неоднородностей больше длины волны света); aуф – поглощение в УФ части спектра, обусловленное электронными полосами поглощения; aик – фононное поглощение в ИК области, связанное в колебаниями химических связей

Рис. 1.9.Основные составляющие потерь для кварцевых ОВ: 1 – хвост УФ-поглощения, 2 – многофононное поглощение, 3 – рэлеевское рассеяние, 4 – полные потери

компонентов стекла; aприм – поглощение, вызываемое примесями переходных ("красящих") металлов (Fe, Cu, Ni, Cr, V, Mo, Co); aон – поглощение, обусловленное гидроксильными ионами, присутствующими в стекле. Основные составляющие потерь для кварцевых ОВ приведены на рис. 1.9 и ниже рассмотрены более обстоятельно.

Рэлеевское рассеяние представляет собой рассеяние света на микронеоднородностях в среде, через которую распространяется электромагнитная волна, в результате чего может измениться угол распространения и свет может выйти их световода, как это показано на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Схема рэлеевского рассеяния

         Хорошо известно, что рэлеевское рассеяние является причиной голубого цвета неба. В атмосфере рэлеевское рассеяние возникает из-за флуктуаций плотности газа, вызываемых флуктуациями температуры. В стекле рэлеевское рассеяние может возникнуть в результате двух независимых эффектов: флуктуации плотности и флуктуации состава. Наличие плотных и менее плотных областей можно отнести к флуктуациям теплового происхождения, возникающим из-за броуновского движения в жидком стекле перед тем, как оно затвердеет. Поскольку различные компоненты стекла могут иметь различный ПП, то флуктуации состава могут приводить к флуктуациям ПП и, соответственно, к рассеянию. Чем выше концентрация легирующих компонентов, тем больше вероятность флуктуаций состава и больше рассеяние, как это видно из рис. 1.11

         Рэлеевское рассеяние принципиально неустранимо и определяет низший уровень потерь в материале по выражению:

                           (1.6),

где nс – ПП материала сердцевины кварцевого ОВ , равный1.48-1.5; К – постоянная Больцмана; Т – температура затвердения кварцевого стекла при вытяжке, равная ~1500 К; β – коэффициент сжимаемости, равный для кварца 8,1∙10-11 м2/Н; l - длина волны света. Чаще пользуются упрощенным выражением

aрел= А´l-4                                                         (1.7),

где А – коэффициент рэлеевского рассеяния. Если построить спектральную зависимость потерь в координатах a от l-4, то по характеру зависимости можно судить об основном механизме потерь. Если эта зависимость линейная, то потери обусловлены рэлеевским рассеянием и наклон прямой позволяет определить коэффициент рэлеевского рассеяния, а отрезок, отсекаемый на оси ординат, составляет величину "серых" потерь. Если эта зависимость носит нелинейный характер, то имеют место другие механизмы потерь.

         Коэффициент рэлеевского рассеяния зависит от типа легирующих примесей (рис. 1.11) и составляет для стекла SiO2*P2O5 ≈ 0.95  дБ/км, а для стекла SiO2*GeO2  до 2 при СGeO2 ~ 4…5 мол. %. Величина А обычно растет с ростом концентрации легирурующих примесей (как отмечалось выше и видно из рис. 1.11), с ростом температуры вытяжки, и т.д. При снижении температуры вытяжки до 1800°С и скорости вытяжки до 1 м/с потери в ОВ, сердцевина которых легирована GeO2, удалось снизить до 0,16 дБ/км, на λ = 1,55 и до 0,28 дБ/км на λ = 1,31 мкм.

Рис. 1.11. Зависимости потерь на рассеяние от концентрации легирующих примесей: 1 – P2O3, 2 – GeO2, 3 – B2O3 ( для λ= 0,83 мкм); 4 – GeO2 ( для λ= 0,51 мкм)

"Серые" потери вызваны крупными неоднородностями в ОВ (например, газовые пузыри, неровная граница между сердцевиной и оболочкой и другие несовершенства) и не зависят от длины волны. Поэтому величину "серых" потерь можно оценить из спектральной зависимости потерь a от l-4, о чем говорилось выше. В современных одномодовых световодах потери, обусловленные несовершенством ОВ, не превышают 0,01 дБ/км, а в лучших образцах составляли 0,004 дБ/км.

УФ-поглощение обусловлено переходом электронов в зону проводимости (энергия перехода составляет в чистом кварцевом стекле ~ 10 эв). Край электронных полос поглощения для ряда аморфных, кристаллических и стеклообразных материалов описывается моделью Урбаха, которая предполагает, что коэффициент поглощения и оптические потери экспоненциально зависят от энергии фотона:

a=a0´exp                                     (1.8),

где Eg – ширина запрещенной зоны, n - частота фотона, k -постоянная Больцмана. Основная причина поглощения согласно этой модели заключается в том, что случайная молекулярная структура материала из-за термических флуктуаций плотности, застывших при отвердении, создает макроскопические вариации электрического поля. Эти локальные электрические поля вызывают появление электронных уровней в запрещенной зоне, которые и допускают электронные переходы.

Рис. 1.12. Зависимости потерь на поглощение в УФ-диапазоне от энергии фотонов для чистого (1) и легированного кварцевого стекла: 2 – B2O3, 3 – P2O5, 4 – GeO2

         На рис. 1.12 приведены зависимости потерь на поглощение в УФ-диапазоне от энергии фотонов (длины волны излучения) как для чистого кварцевого стекла, так и стекол, легированных примесями GeO2, P2O5, B2O3. Видно, что при легировании кварцевого стекла потери возрастают, особенно для германосиликатного стекла, где наблюдаются полосы поглощения с максимумами на длинах волн 242 нм (5,12 эв) и 330 нм (3,75 эв), которые обусловлены германиевыми кислородно-дефицитными центрами (ГКДЦ). С ростом длины волны потери в чистом и легированном стеклах резко снижаются и на длинах волн более 0,8 мкм они значительно меньше 1 дБ/км. Поэтому их вклад в общие потери линий ВОСПИ обычно не учитывается.

         В ИК- области при низких энергиях фотонов свет взаимодействует с колебательными состояниями вещества. Любая связь между компонентами в стекле осциллирует за счет тепловой энергии среды. Эта связь ведет себя как электрический диполь, поле которого модулируется, т.е. делает возможным взаимодействие между электромагнитной волной и этой связью. Подобное взаимодействие приводит к переносу энергии от световой волны к материалу, т.е. в конечном счете  к преобразованию световой энергии в Джоулево тепло. Край ИК-поглощения ограничивает пропускание материалов в длинноволновой области. В таблице 1.2 даны длины волн, соответствующие частотам продольных колебаний для связей между компонентами, наиболее широко применяемыми  в волоконной оптике.

Таблица 1.2.

Длины волн, соответствующие частотам колебаний связей компонентов в стеклах для волоконной оптики.

Связь

Длина волны, мкм

Si – O

9,0

B – O

7,3

P – O

8,0

                             Ge – O

11,0

         На рис. 1.13 приведены спектральные зависимости оптических потерь в ОВ на основе кварцевого стекла, легированного различными добавками. Из таблицы 2 и рис.1.13 видно, что легирование бором можно использовать только для световодов, работающих на длинах волн не более 1,3 мкм, а наиболее широкое окно прозрачности имеют германосиликатные стекла.

Рис. 1.13. Спектральные зависимости оптических потерь в кварцевых ОВ с различным составом стекла сердцевины: 1 – SiO2*GeO2, 2 – SiO2*P2O5, 3 – SiO2*GeO2*B2O3

Большинство ионов переходных металлов ряда железо (Fe, Cu, Ni, Cr, V, Mn, Co) при введении в стекло дают более или менее широкие полосы поглощения, расположенные в различных областях спектра от ближней ИК-области (около 1 мкм) до дальней ультрафиолетовой (около 0,35 мкм). Такое поглощение обусловлено электронными переходами между электронными состояниями ионов. На рис. 1.14 приведены кривые поглощения наиболее важных примесных ионов переходных металлов (часто называемых "красящими" примесями) в кварцевом стекле. Видно, что для получения величины потерь ~ 4 дБ/км на l=0,8 мкм концентрация железа, хрома, ванадия должна быть на уровне ~ 1 ppbw, где ppbw (part pro billion weight) – это 1часть на 109 весовых частей основного вещества, т.е. около 10-7 масс. %). Исследования спектральных зависимостей коэффициентов поглощения от концентрации примесей переходных металлов в кварцевом стекле показали, что для получения ОВ с потерями на уровне 0,2 дБ/км содержание наиболее распространенных примесей Cu+2 и Fe+3 не должно превышать 10-8 масс.%.

Рис. 1.14. Кривые поглощения наиболее важных примесных ионов переходных металлов в кварцевом стекле: 1 – Mn, 2 – Ni, 3 – Cr, 4 – v, 5 – Co, 6 – Ft, 7 - Cu

Одной из важнейших примесей, существенно влияющих на оптические потери в области длин волн 1,1¸1,5 мкм, являются гидроксильные группы (ОН-). Примесь ОН нежелательна, поскольку обертоны продольных колебаний (максимум находится на длине волны 2,72 мкм) приводят к поглощению на длинах волн 1,38, 1,24, 0,95, 0,75 мкм, и таким образом эти полосы налагаются на интересующую нас область пропускания света в стекле. В таблице 1.3 приведены обертоны и комбинационные полосы в спектре поглощения гидроксильных групп (ОН) в кварцевом стекле.

Таблица 1.3.

Обертоны и комбинационные полосы в спектре поглощения гидроксильных групп в кварцевом стекле.

l, мкм

Интенсивность

поглощения,

дБ/км

Идентифи-

кация

l, мкм

Интенсивность

поглощения, дБ/км

Идентификация

1,38

2900

2n0

0,88

6,6

3n0+n1

1,24

150

2n0+n1

0,82

0,8

3n0+2n1

1,12

3,4

2n0+2n1

0,77

6,4

4n0

1,03

0,4

2n0+3n1

0,68

0,9

4n0-+n1

0,95

72

3n0

0,58

0,5

5n0

Примечание: n0 –частота продольных колебаний ОН-групп;

                        n1 – частота колебаний связи Si-O.

         Присутствие в стекле гидроксильных групп на уровне ~1 ppm (1´10-4 масс. %) дает полосу поглощения на 1,38 мкм интенсивностью 55 дБ/км. Это означает, что для того, чтобы эта полоса не проявилась в стекле, необходимо снизить концентрацию ОН-групп до уровня ~ 10-7 масс. %. Типичная спектральная зависимость потерь в кварцевых ОВ приведена на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Типичная спектральная зависимость полных потерь в кварцевом ОВ

Для кварцевых ОВ характерны три окна прозрачности: первое в диапазоне длин волн 0,78¸0,86 мкм, второе – 1,26¸1,36 мкм и третье – в области 1,53¸1,565 мкм.

         Рекордные потери, сообщенные на Международной конференции FOC-2002 и не превзойденные на сегодняшный день, составили для одномодового ОВ с кварцевой сердцевиной и фторсиликатной светоотражающей оболочкой величину 0,151 дБ/км, тем самым побив рекорд 1986 г., когда потери составляли 0,154 дБ/км. В рекордном волокне потери складывались из следующих составляющих: рэлеевское рассеяние – 0,128 дБ/км, ИК-поглощение - 0,014 дБ/км, потери, обусловленные гидроксильными группами ОН – 0,004 дБ/км и несовершенствами ("серые" потери) – 0,004 дБ/км. Такие ОВ с чисто кварцевой сердцевиной позволят увеличить расстояние между ретрансляторами на ~30 % по сравнению с одномодовыми ОВ, сердцевина которых легирована германием и которые имеют потери ~ 0,2 дБ/км.



*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.