Загасання енергії в світловодах

Важливими характеристиками оптичного волокна є загасання та дисперсія, котрі визначають якість передавання, принцип побудови та економічні параметри волоконно-оптичної системи зв’язку.

Оптичні волокна повинні мати мале загасання та дисперсію в тих ділянках спектра, де відбувається передача сигналу - тобто у так званих «вікнах» прозорості – в районі оптичних довжин хвиль 0,85, 1,31 та 1,55 мкм.

Загасання визначає довжину регенераційного участку - вікна(розсіяння між регенераторами). Дисперсія приводить до обмеження полоси передачі сигналів по світловоду і зменшенню довжини регенераційного участку.

Коефіцієнт загасання світловодних трактів оптичних кабелів α обумовлений власними втратами у волоконних світловодах α _с і додатковими втратами, так званими кабельними α _к , які спричинені скруткою, а також деформацією і згинаннями світловодів при нанесенні покрить і захисних оболонок в процесі виготовлення оптичного кабеля:

α = α _с + α _к .

Власні втрати волоконних світловодів складаються в першу чергу з втрат на поглинання енергії в діелектрику α _п і втрат за рахунок розсіяння енергії на малих частинках світловодної структури α р. Втрати на поглинання суттєво залежать від чистоти матеріалу світловода і при наявності домішок можуть досягати значної величини. Втрати на розсіяння енергії визначають мінімальний поріг допустимих значень втрат у волоконних світловодах. Загасання сигналів із-за поглинання α _п пов”язане з втратами на поляризацію зарядів діелектрика і лінійно зростає зі зростанням частоти, а також суттєво залежить від електричних властивостей матеріалу (tg δ). Загасання сигналів через поглинання визначається відношенням величини втрат в світловоді до подвійного значення всієї потужності, яка передається по світловоду:

 

Тоді:

Де G = ω ε_a tg δ – провідність матеріалу; Z в = √ μ_a/ ε _a – хвильовий опір;

υ = 1/√ μ_a ε _a - швидкість поширення енергії по світловоду.

Формулу для розрахунків поглинання в світловодах одержимо, якщо запишемо

υ= с/ n, а c = λ /f в дБ/ км:

Розсіяння світла визване неоднорідностями матеріалу волоконного світловоду, розмір яких менше довжини хвилі, і тепловими флуктуаціями показника заломлення. Вони визначаються за формулою (формула Релея):

Де К р – коефіцієнт розсіяння, для кварцу він дорівнює (1…..1,5) (дБ/км х мкм ⁴.

Рис. 24. Частотна залежність коефіцієнта поглинання α п і α р

Крім власних втрат на поглинання енергії в матеріалі необхідно враховувати також додаткові(кабельні втрати, які повязані з геометрією волокна і наявності оболонки). Основними факторами, які призводять до втрат, викликаних геометрією волокна, є: неоднаковість розміру поперечного перерізу осердя волокна по довдині і нерівності на границі розділу осердя – оболонка, а також нерегулярності, які пов”язані з наявністю мікро- і макрозгинів волокна.

Макрозгиби обумовлені скруткою волоконних світловодів по гелікоїду вздовж всього оптичного кабелю. Мікрозгиби пов”язані з конструктивними і технологічними неоднорідностями волоконного світловода в процесі його виготовлення. Додаткове загасання за рахунок втрат енергії на розсіння від макрозгинів розраховується по формулі

Де R = R iz/ 2 a; R iz – радіус згину; a – радіус осердя волокна; n1, n2 – показники заломлення осердя і оболонки.

Додаткове загасання за рахунок випромінювання на мікрозгинах (дБ) розраховується за формулою:

Де h - висота (радіус) мікрозгину; а – радіус осердя волокна; b – діаметр волокна; N - кількість мікрозгинів.

Рис. 25. Ілюстрації до розрахунку загасання через мікро- і макрозгини волокна:

а) – макрозгини; б) – мірозгини

При достатньо добре відпрацьованій технології виробництва оптичних кабелів домінують втрати на мікрозгинах. Наявність оболонки і захисного покриття волокна також призводить до додаткових втрат за рахунок часткового проникнення поля в ці середовища. Встановлено, що всі ці кабельні втрати призводять до значного збільшення загасання. У найкращих оптичних волокон коефіцієнт загасання становить приблизно

0,18 – 0,20 дБ/км на довжині хвилі 1,55 мкм.

 

Рис. 25. Загасання сигналів у оптичних світловодах для різних довжин хвиль:

1, 2, 3 – “вікна” прозорості.

На графіку чітко показані три “вікна” прозорості (1, 2, 3), причому при збільшенні довжини хвилі коефіцієнт поглинання зменшується по величині і відповідно збільшується довжина регенераційного участку. Звідси очевидна перспектива використання діапазону довжин хвиль 1,3..1,55 мкм для роботи по волоконно-оптичним лініям передачі інформації.