Контрольная работа по теме:
Затухание
Важнейшими параметрамисветовода являются оптическое потери и соответственно затухание передаваемойэнергии. Эти параметры определяют дальность связи по оптическому кабелю и егоэффективность.
Затухание световодныхтрактов обусловлено собственными потерями в волоконных световодах (/>) идополнительными потерями, так называемыми кабельными (/>), обусловленными деформацией иизгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессеизготовления оптического кабеля, т.е.
/>.
Собственные потериволоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения (/>) и потерьрассеивания />,т.е.
/>.
Потери на поглощениесущественно зависят от частоты материала и при наличии посторонних примесей (/>) могут бытьзначительными.
В результате
/>. (1)
Затухание в результатепоглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию и существеннозависит от свойств материала световода.
Потери обусловленыкомплексным характером показателя преломления nд+jnм,который связан с тангенсом угла диэлектрических потерь выражением
/>.
Затухание в результатепоглощения определяется отношением потерь в световоде Рп кудвоенному значению полной мощности Р, распространяющейся по волоконномусветоводу. Учитывая, что Рп=GU2, Р=U2/Z,получим:
/>,
где U — напряжение;
G- проводимость материаласветовода;
Z — волновоесопротивление световода.
Так как />, а />, получим:
/>
Выражая /> через комплексныйпоказатель преломления, получаем
/>
Если коэффициентпреломления имеет действительное значение n=nд, то />/>=0 и потери на поглощениеотсутствуют.
Из формул видно, чточастотная зависимость затухания в результате поглощения имеет линейный характерпри постоянных значениях n.
Невозможно избежатьпоглощения света в стекловолокнах. Даже чистейший кварц сильно поглощает светна определенных длинах волн.
Так, например, на длинахволн меньших 1,3 мкм имеет место ультрафиолетовое поглощение, а на длинах волн,больших 1,3 мкм — инфракрасное поглощение, которое с увеличением длины волнырастет и около 1,6 мкм становится настолько значительным, что и является темфактором, которое ограничивает применение кварцевых волокон для длин волнбольше приведенной.
Для изменения показателяпреломления волокна используются различные легирующие добавки.
Некоторые из них,например, бор (В2О3) имеют большее естественное поглощение,а некоторые, например, германий (GeO2) — меньшее. В настоящее времяпри производстве стекловолокон используют легирующие добавки с низкими потерямина поглощение.
На ранних этапах развитияоптических волокон большую часть примесей составляли ионы металлов. Но внастоящее время эти примеси существенно малы в современных высококачественныхволокнах, и единственной оставшейся значительной примесью являетсягидроксильная группа ОН.
На длине волны 2,73 мкмвследствие теплового движения в этой группе атомов водорода и кислородавозникают резонансные явления, которые вызывают максимальное поглощение встекловолокне.
И если указанный пикпоглощения находится вне рабочего диапазона длин волн кварцевого стекловолокна,то сопутствующие гармоники оказывают непосредственное воздействие на волокна вдиапазоне длин волн от 0,7 до 1,6 мкм и вызывают три пика поглощения.
Рассеяние света вволоконном световоде в основном обусловлено наличием в материале сердечникамельчайших (около одной десятой доли длины волны) случайных неоднородностей.
При рассеянии света вволокне лучи расходятся в новых направлениях, часть из которых имеет меньшийугол падения, чем угол полного внутреннего отражения.
Одни лучи, при этом,покидают сердечник и уходят в оболочку, а другие остаются в сердечнике, нораспространяются обратно к источнику излучения.
Такое рассеяниеприсутствует в любом волоконном световоде и получило название Релеевскогорассеяния.
Затухание на рассеяниерассчитывается по формуле:
/>
где С — коэффициентрелеевского рассеяния;
К — постоянная Больцмана;
Т — температура перехода;
/> – сжимаемость.
Даже при отсутствиилегирующих добавок чистое кварцевое стекло имеет коэффициент релеевскогорассеяния С=0,75 мкм4дБ/км. Легирующие добавки, которые необходимыдля изменения показателя преломления сердечника световода, увеличивают степеньнеоднородности стекла. Поэтому, чем больше />, тем больше потери вследствиерелеевского рассеяния.
Так для многомодовогоградиентного стекловолокна, легированного германием и фосфором, коэффициентрелеевского рассеяния рассчитывается по формуле:
/>, мкм4дБ/км.
Это означает, что при />=1% на длиневолны 1,31 мкм величина потерь вследствие релеевксого рассеяния длямногомодового градиентного световода составляет 0,39 дБ/км.
К кабельным потерямотносятся потери на макроизгибы, микроизгибы и вследствие неоднородностиизготовления.
Потери на макроизгибыобусловлены изменением геометрии луча пр изгибах оптического кабеля. Рассмотримпоявление таких потерь на примере световода со ступенчатым профилем показателяпреломления.
На изгибе луч образуетугол падения />2 1, а,следовательно, нарушается условие полного внутреннего отражения (/>2c).Такой луч преломляется и рассеивается в окружающем пространстве (оболочке).
В многомодовыхградиентных световодах моды высших порядков, распространяющиеся вблизи границысердечник-оболочка, имеют малые значения угла падения />1, поэтому присворачивании такого световода в круг в первую очередь теряются именно именноэти моды. Затухание за счет макроизгибов рассчитывается по формуле:
/>,
где g — коэффициент,определяющий вид профиля показателя преломления;
2а — диаметр сердечникасветовода
R- радиус изгиба.
Изгибы одномодовыхволокон вызывают непрерывную утечку мощности из моды. Эти непрерывные потерирассчитываются по формуле:
/>,
где /> — длина волны,соответствующая значению нормированной частоты />.
Потери от микроизгибоввозникают в результате случайных отклонений волокна от его прямолинейного состояния.
Размах таких отклоненийсоставляет менее 1 мкм, а протяженность — менее милиметра. Подобные случайныеотклонения могут появляться в процессе наложения защитного покрытия иизготовления из стекловолокон кабеля, в результате температурных расширений исжатий непосредственно волокна и защитных покрытий.
Микроизгибы вмногомодовых волокнах приводят к переходу части энергии с одних мод на другие.Потери на микроизгибы в таких волокнах не зависят от длины волны ирассчитываются по формуле:
/>,
где — k — коэффициент,зависящий от амплитуды и длины микроизгибов;
а — радиус сердечникастекловолокна;
b — диаметр оболочки.
В одномодовых волокнах, вотличие от многомодовых, потери вследствие микроизгибов зависят от длины волны.Если потери вследствие микроизгибов для многомодового волокна с диаметромсердечника 50 мкм и />=1,0% составляют />, то потери дляодномодового волокна рассчитываются по формуле:
/>,
где /> — радиус поля моды.
На первый взгляд кажется,что с увеличением длины волны затухание на микроизгибы уменьшается. Однако,происходит увеличение потерь, т.к. с увеличением длины волны растет радиус полямоды
затуханиеэнергия световод волоконный
/>,
где />.
Неоднородностиизготовления, например, изменение размеров диаметра или круглой формысердечника, наличие пустот в стекле и дефектов на границе сердечник оболочка,неравномерное распределение легирующих добавок могут вызвать потери нарассеяние.
Рассмотрим зависимостьзатухания от частоты и длины волны.
Из приведенных вышеданных очевидно, что оптические потери увеличиваются с ростом частоты. При этомзатухание на поглощение возрастает по линейному закону, а затухание нарассеяние увеличиваются значительно быстрей, по закону квадратичной параболы.Обычно потери на рассеяние превышают потери на поглощение.
Принципиальная разницамежду характеристиками затухания симметричных (Е01, Н01)и смешанных (НЕ11) волн. Симметричные волны имеют критическуючастоту f0, ниже которой передача невозможна. Смешанная волна неимеет критической частоты и затухание растет плавно во всем частотномдиапазоне.
Наибольший интереспредставляет зависимость затухания от длины волны.
В целом затухание сувеличением длины волны уменьшается. Однако, на отдельных длинах волн (0,95;1,25 и 1,39 мкм) возникают всплески затухания, которые обусловлены резонанснымиявлениями в гидроксильных группах ОН. На длине волны более 1,6 мкм затуханиевозрастает за счет потерь на поглощение в инфракрасной области спектра. Междупиками затухания находятся три области с минимальными оптическими потерями,которые получили название окон прозрачности. С увеличением номера окназатухание уменьшается. Так 1 окно прозрачности наблюдается на длине волны 0,85 мкм,на которой величина затухания составляет 2-4 дБ/км. 2 окно прозрачностисоответствует длине волны 1,3 мкм, на которой затухание составляет 1,0-1,5 мкм3 окно прозрачности наблюдается на длине волны 1,55 мкм, на которой затуханиесоставляет 0,5-0,2 дБ/км. Таким образом, целесообразно, чтобы оптическиесистемы передачи по волоконным световодам работали именно на указанных длинахволн, которые получили название рабочих. В настоящее время наибольшийинтерес вызывают два последних окна прозрачности, которые обеспечиваютнаименьшее затухание и максимальную пропускную способность волоконныхсветоводов.