4.2.1. Затухания из-за поглощения энергии в материале оптического волокна
Механизм основных потерь, возникающих при распространении по ОВ электромагнитной энергии, иллюстрируется на рисунке 4.2 [10].
Рисунок 4.2 – Механизмы основных потерь в световодах:
aр – рассеяние на нерегулярностях;
aпп – поглощение из-за примесей;
aпм – поглощение в материале волокна.
4.2.1. Затухания из-за поглощения энергии в материале оптического волокна
Потери на поглощение состоят из собственного поглощения и поглощения из-за наличия в стекле ионов металлов переходной группы Fe2+, Cu2+, Cr3+ и ионов гидроксильной группы ОН. Собственное поглощение проявляется при идеальной структуре материала. Механизм этих потерь связан с поведением диэлектрика в электрическом поле (диэлектрической поляризацией). В диапазоне рабочих частот ВОСП количественно они могут быть оценены по формуле [11]
, дБ/км, (4.2.1)
где n1 – показатель преломления сердцевины ОВ;
tgd – тангенс угла диэлектрических потерь материала сердцевины ОВ, принимающий значения в диапазоне от 10-12 до 2×10-11;
l – длина волны, км.
Как видно из формулы эта составляющая поглощения линейно растет с частотой и существенно зависит от свойств материала оптического волокна (tgd). Она характеризует нижний предел поглощения для данного диэлектрика и становится значимой в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. При длине волны излучения выше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным из-за роста потерь, пропорциональных показательной функции и уменьшающихся с ростом частоты по закону [11]:
, дБ/км, (4.2.2)
где с и k – постоянные коэффициенты (для кварца k=(0,7¸0,9)×10-6 м, с=0,9).
Примесное поглощение для разных стекол, в зависимости от валентного состояния, изменяется. Так ионы металлов переходной группы, присутствующие в стекле, имеют электронные переходы в области длин волн (0,5¸1,0) мкм и вызывают соответствующие полосы поглощения. Пики поглощения за счет ионов металлов очень широкие.
Другой существенной в отношении поглощения примесью является вода, присутствующая в виде ионов ОН-. На содержание ионов ОН- в стекле влияет процесс его изготовления. Ей соответствует ярко выраженный максимум поглощения в районе длины волны 1480 нм. Он присутствует всегда. Поэтому область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется. Тем не менее, следует отметить, что уже к 1970 году изготавливаемое оптическое волокно становится настолько чистым (99,9999%), что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. Дальнейшему уменьшению затухания препятствует так называемое Рэлеевское рассеяние света.
4.2.2. Затухания из-за Рэлеевского рассеяния света
Затухания вследствие рассеяния вызываются несколькими механизмами. Во всех оптически прозрачных веществах свет рассеивается в результате флуктуаций показателя преломления в свою очередь возникших вследствие тепловых флуктуаций в жидкой фазе и «замороженных» при затвердевании. Показатель затухания, обусловленного рассеянием, может быть найден из выражения [10]
, (4.2.3)
где k=1,38×10-23 Дж/К – постоянная Больцмана;
Т=1500 К – температура затвердевания стекла при вытяжке;
b =8,1×10-11 м2/Н – коэффициент сжижаемости (для кварца);
n1 – показатель преломления сердцевины.
Такое рассеяние является Рэлеевским. Оно обратно четвертой степени длины волны и характерно для неоднородностей, размеры которых менее длины волны, а расстояние между которыми достаточно велико, чтобы явления взаимодействия были исключены. Из выражения (4.2.3) также следует, что затухание вследствие рассеяния на флуктуациях растет с увеличением показателя преломления.
Кроме флуктуаций плотности, существенными являются также флуктуации концентраций окислов. Добавляемые в стекло окислы обычно повышают показатель преломления, поэтому неоднородность концентрации создает большие флуктуации.
Причиной рассеяния может быть также ликвационная неоднородность материала. В результате недостаточного перемешивания и выдержки при необходимой температуре в процессе варки стекла могут возникнуть области фазовых разделений компонентов. Эта причина принципиально может быть устранена качественным процессом варки, в то время как эффект тепловых флуктуаций неустраним.
Суммарные потери на Рэлеевское рассеяние зависят от длины волны волны по закону λ-4 и количественно могут быть оценены по формуле [11]
, дБ/км, (4.2.4).
где Кр – коэффициент рассеяния, для кварца равный 0,8 [(мкм4· дБ)/км];
λ – длина волны, мкм.
Рассеяния рассмотренных видов не связаны с нелинейными процессами. При достаточно больших мощностях могут возникнуть нелинейные процессы, при которых параметры материала изменяются в зависимости от величины мощности, распространяющейся в данном материале. В результате может появиться вынужденное комбинационное рассеяние, направленное в сторону распространения электромагнитной энергии. Другой причиной нелинейного рассеяния может являться вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Это явление вызвано тем, что когда мощность выше некоторого порога нелинейные процессы приводят к переходу мощности первичных волн в излучение других длин волн. Этот вид излучения в основном направлен назад.
На рисунке 4.3 представлены типовые зависимости основных составляющих потерь от длины волны, за исключением дополнительных кабельных потерь αк, которые всегда приводят к увеличению затухания ОВ и зависят от многих факторов. Как видно из графика, Рэлеевское рассеяние αр ограничивает нижний предел потерь в левой части, а инфракрасное поглощение αик – в правой.
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.
Внутренние потери хорошо интерполируются формулой [24]
, (4.2.5)
где 
отражает пик поглощения на примесях ОН с максимумом при 1480 нм, а первое и последнее слагаемые соответствуют Рэлеевскому рассеянию и инфракрасному поглощению соответственно (Kрел = 0,8 мкм4·дБ/км; С = 0,9 дБ/км; k = 0,7-0,9 мкм; данные приведены для кварца).
На рисунке 4.4 приводится общий вид спектральной зависимости собственных потерь с указанием характерных значений четырех основных параметров (минимумов затухания в трех окнах прозрачности 850, 1300 и 1550 нм, и пика поглощения на длине волны 1480 нм) для современных одномодовых и многомодовых волокон [24].
