Загасання сигналу в волокні
Світло в міру поширення в оптичному волокні поступово слабшає. Це явище називається загасанням ОВ.
Загасання світлового сигналу визначається за формулою:
де l - довжина світловода;
Pвх - потужність світлового сигналу на вході ОВ;
Pвих - потужність світлового сигналу на виході ОВ.
Чим вище загасання, тим менше дальність передачі сигналу по ОВ.
Ослаблення сигналу в ОВ обумовлено власними втратами і додатковими втратами (кабельними).
Кабельні втрати обумовлені мінливістю розмірів поперечних перерізів серцевини ОВ по довжині і нерівностями кордону розділу серцевина-оболонка, вони пов'язані також з наявністю мікро і макроізгібов ОВ.
Малюнок 2.5 - Класифікація втрат в оптичному волокні
Макроізгіби обумовлені скруткой ОВ вздовж усього оптичного кабелю. На вигині порушується умова повного внутрішнього відображення. Такий промінь заломлюється і розсіюється в навколишньому просторі (оболонці).
Втрати від микроизгибов виникають в результаті випадкових відхилень волокна від його прямолінійного стану. Розмах таких відхилень складає менше 1 мкм, а довжина - менше міліметра. Подібні випадкові відхилення можуть з'являтися в процесі накладення захисного покриття і виготовлення з скловолокна кабелю, в результаті температурних розширень і стиснень безпосередньо волокна і захисних покриттів.
Власні потеріас складаються з трьох складових:
апр- ослаблення за рахунок наявності в матеріалі ОВ постійних домішок;
ар- ослаблення за рахунок втрат на розсіювання.
Малюнок 2.6 - Спектр світла
Для того, щоб зрозуміти природу втрат на поглинання, треба згадати ніж представлений спектр світла (рисунок 2.6). Спектр світла представлений інфрачервоними променями, видимим світлом і ультрафіолетовими променями. Інфрачервона частина спектра оптичного сигналу ділиться на 3 поддиапазона: ближній, середній і дальній. До середнього відноситься теплове випромінювання, яке створюється будь-яким нагрітим об'єктом (сонцем, опалювальними приладами, теплокровними істотами.) В електроніці та зв'язку найчастіше використовують ближню частину інфрачервоного діапазону (див. Рисунок 2.6)
Як відомо, скло дуже сильно поглинає ультрафіолетові промені. Втрати світла у видимому діапазоні менше, ніж в ультрафіолетовому, але ще досить великі, що не дозволяє використовувати їх для передачі по оптичному кабелю. Так зване ультрафіолетове поглинання простягається аж до довжини хвилі 1,3 мкм, де воно має мінімальне значення.
На довжинах хвиль менших 1,3 мкм має місце ультрафіолетове поглинання. а на довжинах хвиль, великих 1,3 мкм - інфрачервоне поглинання. яке зі збільшенням довжини хвилі зростає. При довжині хвилі випромінювання вище 1,6 мкм звичайне кварцове скло стає непрозорим
Таким чином, мінімальне загасання в ОВ має оптичний сигнал в діапазоні 0,8 - 1,7 мкм (в ближньому поддиапазоне інфрачервоного діапазону).
Оскільки світло є електромагнітною хвилею, то механізм поглинання пов'язаний з поведінкою діелектрика в електричному полі (діелектричної поляризацією).
Це означає, що під дією світла відбувається поворот пов'язаних зарядів молекул скла щодо центрів зв'язку, на що витрачається енергія світлової хвилі, цим обумовлені втрати на поглинання.
Для зміни показника заломлення волокна використовуються різні легуючі добавки. Деякі з них, наприклад, бор (В2 О3) мають більшу природне поглинання, а деякі, наприклад, германій (GeO2) - менше. В даний час при виробництві скловолокна використовують легуючі добавки з низькими втратами на поглинання.
Втрата енергії також істотно зростає через наявність у матеріалі ОВ постійних домішок. таких, як іони металів Fe, Ni, Cr, V, Cu і інших включень.
На ранніх етапах розвитку оптичних волокон більшу частину домішок становили іони металів. Але в даний час ці домішки істотно малі в сучасних високоякісних волокнах, і єдиною залишилася значною домішкою є гідроксильна група ОН.
Розсіювання світла в волоконному световоде в основному обумовлено наявністю в матеріалі сердечника найдрібніших (близько однієї десятої частки довжини хвилі) випадкових неоднорідностей. Ці неоднорідності розсіюють світло у всіх напрямках (рисунок 2.7). Частина розсіяного світла виходить з серцевини волокна, а частина може відбитися назад до джерела. Відповідно до закону Релея зі збільшенням довжини хвилі втрати на розсіювання зменшуються:
Малюнок 2.7 - Природа релеевскому розсіювання
Таке розсіювання присутній в будь-якому волоконному световоде і отримало назву релеевскому розсіювання. Воно назад четвертого ступеня довжини хвилі.
Легуючі добавки, які необхідні для зміни показника заломлення сердечника світловода, збільшують ступінь неоднорідності скла.
Найбільший інтерес представляє залежність загасання ОВ від довжини хвилі (рисунок 2.8).
Малюнок 2.8 - Залежність загасання оптичного волокна від довжини хвилі світла
На довжинах хвиль 0,95 і 1,39 мкмвознікают сплески загасання, які обумовлені резонансними явищами в гідроксильних групах ОН ( «водні піки»).
Між піками загасання знаходяться три області з мінімальними оптичними втратами, які отримали назву вікон прозорості. Зі збільшенням номера вікна загасання зменшується.
Так перше вікно прозорості спостерігається на довжині хвилі 0,85 мкм. Друге вікно прозорості відповідає довжині хвилі 1,3 мкм. Третє вікно прозорості спостерігається на довжині хвилі 1,55 мкм, на якій загасання сигналу в ОВ мінімально і становить 0,22 дБ / км. Таким чином, доцільно, щоб оптичні системи передачі по волоконних світловодів працювали саме на зазначених довжинах хвиль, які отримали назву робітників. В даний час найбільший інтерес викликають два останніх вікна прозорості, які забезпечують найменшу загасання і максимальну пропускну здатність волоконних світловодів.
Впровадження технологій «щільного» частотного ущільнення (DWDM) укупі з використанням ербіевого оптичних підсилювачів призвело до розробки нового типу оптичних волокон. При використанні технології DWDM в оптичному волокні одночасно вводиться велика кількість (до 300) оптичних сигналів на близьких довжинах хвиль, кожен з яких несе свій, незалежний від інших інформаційний потік.
Малюнок 2.9 - Спектральна залежність загасання у волокні TrueWave RS
Фірма Lucent випускає вдосконалені оптичного волокна - TrueWave RS (рисунок 2.9), в якому дещо розширено в далекій області робочий спектральний діапазон, при цьому виникає четверта вікно прозорості, що додатково збільшує пропускну здатність оптичного кабелю.
На малюнку 2.10 представлена спектральна залежність загасання у волокні AllWave. На відміну від стандартного одномодового волокна дане оптичне волокно, вироблене фірмою Lucent не має так званого «водяного піку», т. Е. Збільшення поглинання на довжині хвилі 1,385 мкм, що відповідає спектру поглинання іонів OH. На цій довжині хвилі поглинання становить 0,31 дБ / км, тобто з'явилося п'яте вікно прозорості.
Малюнок 2.10 - Спектральна залежність загасання у волокні AllWave
Спектральна область оптичного волокна з малими втратами (<0,3 дБ/км) расширилась до 500 нм и лежит в диапазоне длин волн 1200-1700 нм. Использование всего спектрального диапазона волокна позволяет резко увеличить информационную ёмкость волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов.
Крім вище перерахованих втрат необхідно враховувати втрати, що виникають при введенні випромінювання в ОВ. до них відносяться:
ААП - апертурні втрати, зумовлені розбіжністю апертур випромінювача і світловода;
афр - Френелевскую втрати на відбиття від торців світловода і т. д.
Як випромінювачів в ВОСП використовують світловипромінюючі діоди СІД напівпровідникові лазери ППЛ. СІД випромінюють світло в тілесному куті 30-60 °, а ППЛ - в тілесному куті від 3 до 30 °. Якщо апертура випромінювача більше апертури ОВ, то частина оптичного сигналу втрачається ще при введенні в ОВ. Це і є аппертурние втрати. Для зменшення апертурних втрат для введення випромінювання в ОВ використовують фокусують лінзи.
Для зменшення Френелевскую втрат торці ОВ покривають спеціальними антіотражающім плівками товщиною кратної # 955; / 4.