1.3.1. Собственные потери

1.3.2. Изгибные и микроизгибные потери

Важнейшей характеристикой ОВ являются оптические потери или затухание светового сигнала при его распространении по волокну. Этот параметр определяет длину линии связи между ретрансляторами, которые усиливают ослабленный сигнал. Затухание в ОВ – это мера ослабления оптической мощности, распространяющейся вдоль ОВ между двумя его поперечными сечениями на данной длине волны. Затухание выражается в дБ. Коэффициент затухания – это величина затухания на единицу длины волокна (1 км), выражается в дБ/км и записывается как:

(1.4),

где I_вх и I_вых – интенсивности света на входе и на выходе ОВ длиной L. Так, если a=1 дБ/км, то оптический сигнал ослабевает на ~ 26 % после прохождения через километровый отрезок ОВ, а если a=0,2 дБ/км (типичное значение для одномодовых ОВ на λ=1,55 мкм), то сигнал ослабнет всего на ~ 5 %.

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:

α_пол = α_рэл+ α_сер+ α_уф+ α_ик+ α_прим+ α_он (1.5),

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

компонентов стекла; a_прим – поглощение, вызываемое примесями переходных ("красящих") металлов (Fe, Cu, Ni, Cr, V, Mo, Co); a_он – 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 n_с – 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

a_рел= 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 С_GeO2 ~ 4…5 мол. %. Величина А обычно растет с ростом концентрации легирующих 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 GeO_2, 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 E_g – 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.

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.

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.

1.3.2. Изгибные и микроизгибные потери

До сих пор мы рассматривали собственные потери, присущие ОВ, растянутому в виде прямой линии. Однако при изгибе ОВ его потери начинают быстро расти при приближении радиуса петли к критическому радиусу, как это видно из рис. 1.16 и нижеследующей формулы:

(1.9),

где R – радиус изгиба, R_c– критический радиус изгиба равный

(1.10),

где a радиус сердцевины, NА – числовая апертура ОВ.

Рис. 1.16. Зависимость пропускания света от диаметра петельки (одиночной) в стандартном одномодовом волокне (SM), измеренная на λ = 1,3 мкм

Потери при изгибе волокна обусловлены двумя причинами. Во-первых, потери возникают в месте соединения прямого и изогнутого волокна. Обусловлены они тем, что в изогнутом волокне центр модового пятна смещен относительно оси волокна на некоторую величину d, зависящую от радиуса изгиба волокна. В результате модовые пятна прямого и изогнутого волокна в месте их соединения оказываются смещенными друг относительно друга также на величину d (рис. 1.17). Поэтому только часть мощности моды "прямого" волокна передается моде изогнутого волокна, а остальная мощность преобразуется в оболочечные моды и, в конечном счете, теряется.

Рис. 1.17. Схема, поясняющая причину возникновения потерь при соединении прямого и изогнутого волокна:

а) в изогнутом волокне центр модового пятна смещен относительно оси волокна на некоторую величину d,

б) в месте соединения прямого и изогнутого волокон их модовые пятна смещены относительно друг друга на величину d

Во-вторых, мощность теряется и непосредственно в изогнутом волокне. Происходит это из-за того, что в изогнутом волокне периферийная часть моды распространяется со скоростью больше скорости света, эта часть моды излучается в оболочку волокна и, в конечном счете, теряется (рис. 1.18). Величина этих потерь тем выше, чем больше число витков изогнутого волокна и чем меньше радиус его изгиба.

Значительное увеличение потерь в ОВ может быть обусловлено наличием микроизгибов, которые могут появиться, например, при многослойной намотке волокна с мягкой оболочкой на барабан с большим натяжением, когда волокно пересекает другие волокна, как это показано на рис.1.19. При этом возможен небольшой, но многократный изгиб оси волокно, что и вызывает дополнительные потери, о которых говорилось выше. Микроизгибы могут возникать также и за счет усадки защитного покрытия после его полимеризации, т.к. коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) полимеров значительно больше КЛТР кварцевого стекла. Для устранения этого явления защитное покрытие делают двухслойным: первичное – мягким, а вторичное – жестким. Величина микроизгибных потерь пропорциональна отношению a⁴/b⁶, где а – диаметр сердцевины, а b – диаметр волокна.

Рис. 1.18. Схема, поясняющая возникновение потерь в изогнутом волокне: 1 - оболочка, 2 – сердцевина, 3 – плоскость фазового фронта, *- точка, где скорость распространения фазового фронта превысила скорость света в среде

Рис. 1.19. Волоконный световод, соприкасающийся с шероховатой поверхностью (микроизгиб)

Коэффициент затухания на рабочей длине волны, как важнейший параметр, обязательно приводится в паспорте на каждый образец ОВ, при этом часто указывается и зависимость затухания от величины изгиба волокна и величина усилия при многослойной намотке ОВ на транспортный барабан.