Классификация потерь в оптических волокнах
Потери в оптических волокнах представляют собой один из ключевых факторов, определяющих эффективность и дальность передачи оптического сигнала. Потери обозначают снижение интенсивности света при его распространении вдоль волокна. Они выражаются в децибелах на километр (дБ/км) и обусловлены различными физическими механизмами, связанными как с фундаментальными свойствами материала, так и с конструктивными особенностями волокна.
Общая сумма потерь складывается из нескольких составляющих:
Рассмотрим эти виды потерь подробно.
Поглощение в оптическом волокне
Поглощение света в волокне обусловлено двумя основными механизмами: основное (фундаментальное) поглощение, связанное с материалом стекла, и добавочное поглощение, вызванное примесями и технологическими дефектами.
Фундаментальное поглощение связано с электронными переходами в ультрафиолетовой области и с колебаниями атомов (фононами) в инфракрасной области. Эти эффекты определяют границы спектра прозрачности стекла. Для стандартного кремнеземного волокна минимальные потери наблюдаются в диапазоне от ~1300 до 1600 нм.
Поглощение примесями, особенно гидроксильными группами (OH⁻), приводит к возникновению узких полос в области 950, 1240 и 1383 нм. Особенно значимой является полоса при 1383 нм, называемая “водяным пиком”. Современные технологии очистки (Low Water Peak Fiber) позволяют значительно снизить этот эффект.
Рассеивающие потери
Наиболее важный механизм рассеяния — Рэлеевское рассеяние, вызванное микроскопическими флуктуациями плотности и состава стекла, возникающими при охлаждении волокна. Это рассеяние обратно пропорционально четвёртой степени длины волны:
$$ \alpha_R \propto \frac{1}{\lambda^4} $$
Поэтому оно особенно сильно проявляется на коротких длинах волн и становится доминирующим источником потерь в диапазоне 800–1300 нм. Для современных одномодовых волокон величина потерь, обусловленных этим механизмом, может составлять порядка 0.2–0.4 дБ/км.
В реальных волокнах также может наблюдаться Ми-рассеяние (при наличии неоднородностей сравнимого с длиной волны размера), однако этот эффект значительно менее выражен.
Потери на изгибах
Макроизгибы — это крупные изгибы волокна с радиусом кривизны от миллиметров до сантиметров. При сильных изгибах часть модового поля выходит за пределы сердцевины и излучается в оболочку. Потери на макроизгибах экспоненциально зависят от радиуса кривизны и длины волны:
αbend ∝ e−2R/λ
где R — радиус изгиба, λ — длина волны.
Микроизгибы — это мелкомасштабные отклонения оси волокна, возникающие из-за механических напряжений или неровностей поверхности при укладке. Они вызывают локальное нарушение условий полного внутреннего отражения и способствуют переходу мод в оболочку.
Особую уязвимость к потерям на изгибах демонстрируют одномодовые волокна с малым диаметром сердцевины и высоким показателем NA.
Потери при соединении волокон
При построении длинных линий связи волокна необходимо соединять. Эти соединения, независимо от способа (сварка, механическое соединение, коннекторы), вносят дополнительные потери. Они обусловлены следующими причинами:
Современные сплайсеры обеспечивают точность позиционирования с потерями менее 0.05 дБ на стык, однако при множественных соединениях их суммарный вклад становится значимым.
Хроматическая и модовая дисперсия как условные потери
Хотя дисперсия сама по себе не вызывает поглощения энергии, она приводит к расширению импульса, снижению пиковой мощности и в случае нелинейных эффектов — к дополнительному рассеянию. Особенно это важно в многомодовых волокнах, где возбуждаются десятки или сотни мод с различной скоростью распространения. Этот эффект иногда классифицируется как «модовые потери», поскольку не вся энергия достигает приемника в пределах временного окна.
Зависимость потерь от длины волны
Характер распределения потерь в зависимости от длины волны определяет выбор рабочих окон:
Современные волокна G.652.D обладают улучшенными характеристиками в области «водяного пика», что позволяет использовать дополнительное окно ~1383 нм (Wavelength Division Multiplexing in Extended Band).
Методы снижения потерь
Для обеспечения минимальных потерь применяются следующие технологические и конструктивные меры:
Современные уровни потерь
Благодаря технологическому прогрессу, потери в современных одномодовых волокнах типа SMF-28 (Corning) составляют:
В лабораторных условиях были достигнуты рекордные значения потерь менее 0.17 дБ/км на 1550 нм. Однако даже такие минимальные потери становятся критичными при протяжённости линии в тысячи километров, что требует использования регенераторов, усилителей (EDFA) и других решений оптической связи.