Згасання оптичного волокна
3.1. Згасання оптичного волокна
У міру поширення світла в оптичному середовищі він слабшає, що зветься загасання середовища - загасання ВВ. Згасання залежить від довжини хвилі випромінювання, що вводиться у волокно. В даний час передача сигналів по волокну здійснюється у трьох діапазонах: 850 нм, 1300 нм, 1550 нм, оскільки саме в цих діапазонах кварц має підвищену прозорість. Згасання (рис. 3.1) зазвичай вимірюється в дБ/км і визначається втратами на поглинання та розсіювання випромінювання в оптичному волокні [5]:
- Розсіювання на дефектах волокна;
- Власне поглинання кварцового скла;
- поглинання на мікро та макровигинах.
 |
Ступінь втрат визначається коефіцієнтом загасання, який у загальному вигляді дорівнює:
(3.1.1)
де - Коефіцієнт загасання, обумовлений втратами на поглинання світлової енергії. Власне поглинання кварцового скла визначається поглинанням фотонів, при якому енергія фотона переходить в енергію електронів або коливальну енергію решітки. Спектр власного електронного поглинання кварцового скла лежить в ультрафіолетовій ділянці (7 мкм). Оскільки структура кварцового скла аморфна, смуги поглинання мають розмиті межі, які «хвости» заходять у видиму область спектра. У другому і третьому вікнах прозорості в діапазоні довжин хвиль 1,3-1,6 мкм втрати, викликані власним поглинанням, мають порядок 0,03 дБ/км.
— коефіцієнт загасання, зумовлений релеївським розсіюванням на неоднорідностях матеріалу ОВ, розміри яких значно менші за довжину світлової хвилі, та тепловими флуктуаціями показника заломлення. Цей вид розсіювання визначає теоретичний кордон, нижче якого загасання не можебути зменшено і в сучасних ВВ є основним джерелом втрат у робочих областях спектра. Релеєвське розсіювання викликається розсіюванням на неоднорідностях показника заломлення, що виникли в розплавленому кварці у зв'язку з локальними термодинамічні флуктуаціями концентрації молекул (щільності) кварцу через їх хаотичний рух у розплавленому стані. При твердінні волокна неоднорідності, що виникли у розплавленій фазі, застигають у структурі кварцового скла. Коливання щільності призводять до випадкових флуктуацій показника заломлення в масштабі, меншому, ніж довжина світлової хвилі.
- Коефіцієнт загасання, викликаний присутніми в ОВ домішками, що призводять до додаткового поглинання оптичної потужності, це іони металів (Fe, Cu, Ni, Mn, Cr), що викликають поглинання в діапазоні довжин хвиль 0,6-1,6 мкм, і гідроксильні групи (ВІН), через які з'являються резонансні сплески згасання на довжинах хвиль 0,75 мкм, 0, 97 мкм та 1,39 мкм.
- Додаткові втрати, що визначаються деформацією ОВ в процесі виготовлення кабелю, викликаної скруткою, вигином, відхиленням від прямолінійного розташування та термомеханічними впливами, що мають місце при накладенні оболонок і покриттів на серцевину волокна при виготовленні ОК (їх називають кабельними).
- Коефіцієнт загасання, що залежить від довжини хвилі оптичного випромінювання і за рахунок поглинання в інфрачервоній області зростає в показовій мірі зі зростанням довжини хвилі.
В даний час у техніці зв'язку в основному застосовуються кварцові ОВ, область ефективного використання яких знаходиться в діапазоні довжин хвиль до 2 мкм. На більш довгих хвилях як матеріал для волокна використовуються галоїдні, халькогенідні і фторидні скла. У порівнянні з кварцовими волокнами вонимають більшу прозорість і забезпечують зниження втрат на кілька порядків. З появою ВВ із нових матеріалів стає реальним створення ВОЛЗ без ретрансляторів.
Згасання оптичного хвилеводу враховується під час розрахунку енергетичного бюджету.
Згасання оптоволоконної лінії з урахуванням втрат на роз'ємних з'єднаннях та зростках (нероз'ємних з'єднаннях) визначається за формулою:
(3.1.2)
де і - значення втрат на зростку і роз'єм відповідно, і - кількість зростків і роз'ємних з'єднань протягом оптоволоконної лінії довжиною L, - кілометровий коефіцієнт загасання оптичного волокна, що вимірюється в дБ/км.
Тоді енергетичний бюджет розраховується за такою формулою:
(3.1.3)
де - потужність джерела оптичного випромінювання і чутливість фотоприймача в дБ відповідно; та - експлуатаційний запас для апаратури та для кабелю, (дБ), що беруться з технічних умов (контрактних специфікацій) для обладнання ВОЛЗ.
Світловий сигнал у цифрових системах передачі надходить у світловод імпульсами, які внаслідок некогерентності реальних джерел випромінювання містять складові з різною частотою. Поширення світлового імпульсу, що викликається різницею часу поширення його спектральних та поляризаційних компонентів, і називається дисперсією.
Світлова хвиля, що розповсюджується вздовж напрямку x, описується рівнянням:
(3.2.1)
де А – амплітуда світлової хвилі; - її кутова частота, k – хвильове число.
Якщо взяти фіксоване значення фази хвилі:
= Const, (3.2.2)