Божий замысел для человека

Затухание.

Причинами потерь оптической мощности при распространении сигнала по волокну являются различные виды поглощения, а также обусловленная рассеянием деформация угло­вого распределения лучевого потока и вытекание возникающих внеапертурных лучей из сердцевины.

Для количественной оценки потерь пропускания используется удельное затухание оптического сигнала, выраженное в дБ/км,

где — мощности каналируемого излучения на входе и

выходе световода длиной L км. Если имеются различные невзаи­модействующие механизмы потерь, то определенные по (9.17).затухания складываются, т. е.

где — удельное затухание, вносимое механизмом потерь.

Рассмотрим наиболее существенные из этих механизмов.

1. Фундаментальные потери, присущие материалу и принципиально неустранимые. Выделяют два вида фундаментальных потерь. Один вид — собственное поглощение в материале световода (потери |, которое в УФ-области связано с электронными переходами между разрешенными энергетическими уровнями атомов, а в ИК-области — с многофотонным и колебательным возбуждением молекул. «Хвосты» полос поглощения могут доходить с рабочего диапазона длин волн световода, что проявится в затухании. Экспериментально установлено, что для кварца уже при 0,6 мкм УФ-поглощение становится меньше 1 дБ/км, а ИК-поглощение, эффективное при 8... 12 мкм, при 1 мкм вообще не сказывается.

Другой вид фундаментальных потерь — релеевское рассеяние на различного рода нерегулярностях, приводящее к потерям

где постоянная тем меньше, чем ниже температура «замора-живания» флуктуации состава световода, охлаждаемого при из­готовлении.

Для кварца при его тщательной обработке экспериментально получено 0,7 дБ/(км-мкм-4),что для 0,82 мкм дает ~1,5 дБ/км, а при =1,55 мкм ^0,14 дБ/км. Следует подчеркнуть, что не универсальная константа, она зависит и от выбора материала световода, и от технологии его обработки, т. е. принципиально можно ожидать получения меньших, чем достигнуто в кварце, релеевских потерь. Наиболее характерным моментом в (9.19) является сильная зависимость от из чего следует, что в дальней ИК-области релеевские потери становятся пренебрежимо малыми.

2. Примесное поглощение, обусловленное наличием примесей (потери ). В кварце такими примесями, проявляющимися как центры окраски, являются ионы металлов группы медь — хром, а именно медь, хром, магний, никель, железо.

Значительное поглощение происходит за счет гидроксильной группы ОН (потери , но спектр этого поглощения имеет характер отдельных узких полос, так что в промежутках между ними дополнительное затухание может быть ничтожным. Основ­ной пик колебательного возбуждения связи О—Н наблюдается при =2,72 мкм, меньшие пики, обусловленные обертонами, — при длинах волн 1,24; 0,94; 0,88; 0,72 мкм. Рабочую длину волны излучателя стремятся поместить между этими пиками.

3. Технологические разбросы определяющих параметров световода (потери (: эллиптичность сердцевины, статистические флуктуации ее диаметра и показателя по длине световода, нарушения выбранного закона распределения показателя преломления по сечению сердцевины [в частности, очень часто на оси.световода наблюдается провал кривой ]. Все это приводит к рассеянию и перекачке части энергии распространяющегося из­лучения в вытекающие моды.

4. Явления, связанные с дефектами эксплуатации, проявляющимися уже после изготовления волокна. Это потери, обусловленные микроизгибами, возникающими в местах контакта волокна •с защитными оболочками и упрочняющими элементами кабеля. Практически после укладки волокна в кабель его затухание может на 20... 50% превысить исходное значение. Дополнительные механические напряжения и микроизгибы возникают также при изменении температуры окружающей среды, причем они тем значительнее, чем шире диапазон рабочих температур Характерно, что температурные эффекты обусловлены не только взаимодействием волокна с окружающими элементами, но и внутренними напряжениями, а также изменением величины из-за различия (пусть незначительного) физических свойств сердцевины и оболочки. Оба вида потерь — кабельные и температурные — полностью устранить не удается, однако при оптималь­ной конструкции волокна и кабеля они могут быть достаточно малыми.

5. Потери обусловленные воздействием проникающей радиации и принципиально не устранимые. В кварцевых волокнах ионизирующее излучение приводит к разрыву связей в молекуле и появлению свободных связей, которые служат ловушками.зарядов, что повышает в конечном счете затухание сигнала. Де­тальное описание радиационного воздействия вызывает сложнос­ти, наблюдаемые явления не всегда допускают однозначную ин­терпретацию, однако некоторые общие закономерности для квар­цевых световодов все же могут быть сформулированы. Установ­лено, что при малых дозах, не превышающих 10⁷ рад, различные виды радиации (электроны, протоны, нейтроны, альфа-, гамма- и рентгеновское излучения) оказывают на световоды практически одинаковое воздействие. При слабых воздействиях дополнитель­ное поглощение сначала линейно зависит от дозы, а затем наблю­дается насыщение. Наведенное поглощение состоит из двух ком­понентов: стабильного и нестабильного, исчезающего при отжиге или интенсивной засветке. Как правило, оба компонента наве­денного поглощения значительно больше для легированного, чем для чистого кварца.

Важная общая закономерность радиационных дефектов про­является в том, что они тем меньше влияют на затухание, чем больше длина волны излучения: в первом приближении при ~ 1 мкм наведенные потери пропорциональны где .. 7.

6. Потери возникающие вследствие временных деградационных явлений. При вытягивании волокон на их поверхности образуются микротрещины, которые с течением времени могут увеличиваться и вызывать появление дополнительных потерь (а в конечном счете и полное разрушение волокна). Процесс существенно ускоряется при наличии механических деформаций и хи­мическом действии тех или иных реагентов, главным образом влаги и кислорода, устранить влияние которых практически не­возможно.

Подводя итоги, можно расписать общее выражение (9.18) следующим образом:

Отметим, что пользоваться (9.20) практически невозможно: большинство его составляющих не рассчитываются и характери­зуются индивидуальной спектральной зависимостью. Типичный спектр поглощения высокочистого кварцевого световода (вне ка­беля) представлен на рис. 9.5, где наглядно отражены законо­мерности релеевекого рассеяния и пики, связанные с ОН-группами; видно также наличие трех окон прозрачности вблизи длин волн 0,85; 1,3 и 1,55 мкм и преимущество длинноволновых окоп.

Пределы применимости* Представленные в этой главе физиче­ская картина и расчетные соотношения справедливы как некото­рое приближение к действительности. Имеются ограничения, ко­торые вытекают непосредственно из рассмотренной теории или как следствие из неучтенных физических эффектов.

Ранее указывалось, что при V =1 до 70% мощности направ­ляемой моды вытекает в оболочку, т. е. исходные качественные представления о оастюстранении излучения по световоду теряют смысл. Условие определяет геометрический предел представленной теории.

Детальный анализ процесса отражения распространяющегося излучения на границе сердцевина — оболочка приводит к заклю­чению, что имеется большое число мод, которые нельзя однознач­но отнести ни к направляемым, ни к вытекающим модам. Для таких слабовытекающих мод (геометрически — очень косые лу­чи) проникновение поля в оболочку не является малым и волну нельзя рассматривать как полностью направляемую, в то же вре­мя потери не настолько велики, чтобы считать ее ненаправляемой. Теория этих мод еще недостаточно разработана.

Рис. 9.5. Типичный спектр поглощения кварцевого световода

Существование слабовытекающих мод определяет два других ограничения теории. Во-первых, требование к конечности толщи­ны оболочки, которое формулируется как для многомодовых и для одномодовых световодов. При меньших значениях представленные выше расчетные соотно­шения начинают существенно нарушаться. Во-вторых, учет слабо-вытекающих мод дает в (9.20) дополнительный компонент по­терь, который при малости всех остальных составляющих может стать определяющим. Иными словами, устанавливаются пределы применимости формулы (9.20).

Искажение представленной картины и нарушение большинст­ва расчетных соотношений возникает и при очень значительных плотностях мощности каналируемого излучения; причина этого — нелинейные оптические явления (см. гл. 3). Эффекты вынужден­ного рассеяния Мандельштама — Бриллюэна и Рамана приводят к «повороту» значительной части потока назад — феноменологи­чески это проявляется в резком возрастании затухания!. Нели­нейно-дисперсионные явления проявляются в обострении фронта светового импульса [в противоположность (9.15)] и в возбужде­нии солитонного режима. Пороговое значение плотности мощности для кварцевых световодов но заметное проявление нелинейных эффектов может наступить и значительно раньше.

При анализе градиентного световода использовался параметр однако фактически профиль показателя преломления описыва­ется волнистой кривой, имеющей локальные всплески и спады (в частности, типичен провал в центре световода). Оценки показы­вают, что отклонение от идеализированной кривой всего на 2... 3% может привести к изменению дисперсионной константы для опти­мизированного градиентного световода чуть ли не на порядок. Этими цифрами и устанавливается предел целесообразного уточ­нения значения

Замысел для общения [1]

Дата добавления: 2017-01-14; Просмотров: 136; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!