Затухание сигналов в световодах

При расчете параметров линейно-кабельных сооружений оптической линии связи из-за экспоненциальной зависимости мощности сигнала от расстояния удобно пользоваться логарифмическими единицами, переход к которым позволяет свести основные расчеты мощности сигналов к операциям сложения и вычитания.

В качестве нулевого уровня в технике оптической связи принято значение 1 мВт, которое примерно соответствует максимальной мощности излучения типичного полупроводникового лазера и светодиода, а под уровнем мощности понимается величина

р = 101g(P/l мВт) [дБм],

где Р - мощность оптического сигнала.

В таблице дано соответствие уровней и мощностей оптических сигналов в типичных для волоконной оптики диапазонах их изменения.

В процессе распространения по волокну оптический сигнал постепенно теряет свою энергию. Этот эффект называется затуханием. От величины затухания зависит максимальная дальность связи между двумя приемопередатчиками. В волоконно-оптической технике связи затухание принято измерять в децибелах.

Затухание в волоконных световодах обусловлено потерями на рассеяние и потерями на поглощение.

Потери на рассеяние обусловлены флуктуациями средней плотности и связанными с ними флуктуациями показателя преломления материала сердцевины. При попадании на нерегулярности оптические лучи меняют свое направление распространения и высвечиваются в окружающее пространство.

Потери на рэлеевское рассеяние (кривая 1 на рис.9) и инфракрасное поглощение (кривая 2 на рисунке) определяют нижний предел потерь волоконного световода.

Рис.9. Зависимость затухания кварцевого волоконного световода от длины волны

Как видно из рисунка, нижний теоретический предел потерь в кварцевом световоде находится в районе длины волны 1,4 мкм. Минимальная величина потерь никогда не достигается по двум основным причинам:

· в процессе изготовления оптического кабеля возникают так называемые кабельные потери, которые обусловлены деформациями волокна при наложении покрытий и защитных оболочек, а также скруткой элементов кабельного сердечника;

· материал сердцевины световода из-за конечной эффективности очистки содержит атомы и молекулы примесей, резонансное возбуждение которых приводит к резкому возрастанию потерь на определенных длинах волн. В диапазоне 0,8-1,7 мкм наибольший вклад в величину потерь вносят пары воды и металлы первой группы периодической системы элементов (никель, железо, хром и др.). Для получения приемлемого уровня потерь концентрация примесей не должна превышать 10^-9.

Таким образом, область эффективного использования кварцевых волоконных световодов ограничена диапазоном видимого и ближнего инфракрасного диапазонов (ИК) длин волн. Для среднего и дальнего ИК диапазонов необходимы новые материалы.

На рисунке выше схематично, в виде кривой 3 показана спектральная зависимость коэффициента затухания реальных световодов с учетом фундаментальных и дополнительных потерь, вызываемых примесями. Из графика ясно следует, что работа по волоконно-оптическим кабелям эффективна не на всех длинах волн, а только в определенных участках спектра, где достигаются минимальные потери. Области минимальных потерь получили название окон прозрачности. Для кварцевых световодов практический интерес представляют три окна прозрачности. За их границы удобно принять значения, приведенные в стандарте ISO/IEC 11801 и перечисленные в таблице. Характеристики полупроводниковых излучателей и фотоприемников оптимизированы для работы в этих окнах.

Из рисунка выше и таблицы видно, что переход из первого во второе окно прозрачности дает существенный выигрыш по величине затухания, тогда как работа в третьем окне большого выигрыша не приносит. С другой стороны, по мере увеличения рабочей длины волны начинает быстро расти стоимость активных оптоэлектронных компонентов. В линиях оптической связи локальных сетей из-за сравнительно малой протяженности кабельных трасс стоимость оконечной аппаратуры является относительно большой величиной. Поэтому с учетом перечисленных выше обстоятельств в подавляющем большинстве случаев используют первое и второе окно прозрачности. Нормировка параметров одномодовых световодов, используемых при создании подсистем внешних магистралей, выполняется из соображений предпосылок применения в СКС одномодовых оптических кабелей, разработанных для городских и междугородных сетей связи. Линии дальней связи, стоимость которых определяется в первую очередь длиной участка регенерации, работают в основном во втором и третьем окне прозрачности, где кроме низкого затухания достигается также малая величина дисперсии.