Потери в стеклянных волокнах возникают вследствие поглощения, рассеяния и геометрических дефектов.

Поглощение

Даже самое чистое стекло поглощает свет внутри определенных областей спектра. Это собственное поглощение является естественным свойством стекол. Очень сильное собственное поглощение происходит в ультрафиолетовой части (на коротких длинах волны). Поглощение возникает вследствие сильных электронных и молекулярных переходов. Пик потерь наблюдается в ультрафиолетовой области. Эти потери уменьшаются с приближением к видимой области спектра. Ультрафиолетовое поглощение отстоит далеко от области, где эксплуатируются волоконные системы, так что их вклад незначителен. Конец хвоста ультрафиолетового поглощения может простираться в видимую область, но как уже было отмечено, вносит небольшой вклад в суммарное затухание в этой области спектра. Ультрафиолетовое поглощение показано на рис. 2.1.

Пики собственного поглощения также имеются в инфракрасной области спектра. Для типичных составов стекол пики поглощения, расположенные между 7 мкм и 12 мкм, далеки от области, в которой работают волоконные системы. Инфракрасные потери связаны с колебаниями химических связей типа соединений кремния с кислородом. Тепловое возбуждение заставляет атомы постоянно перемещаться так, что химические связи SiO непрерывно расширяются и сжимаются. Эти колебания имеют резонансную частоту в инфракрасной области спектра. Как показано на рис. 2.1, коротковолновая граница этого механизма поглощения простирается вниз по спектру, приближаясь к области, где функционируют волоконные системы. Инфракрасное поглощение вносит малые потери в верхней части участка спектра (вблизи 1,6 мкм), используемого для волоконной связи. Фактически эти потери исключают использование стеклянных волокон на более длинных волнах.

Можно заключить, что собственные потери обычно невелики в широкой спектральной области, где работают волоконные системы, но эти потери делают невозможным использование волоконных систем, как в ультрафиолетовом, так и более длинноволновом инфракрасном участке спектра.

2.2 Дисперсия сигналов в ОВ

В волоконных линиях связи имеются ограничения на дальность передачи по ослаблению (затуханию) и по допустимым искажениям формы импульсов. В некоторых случаях сигнал, достигающий приемного устройства, слишком слаб для качественного приема, хотя форма принятого сигнала удовлетворительна. Когда затухание в волокне является основной проблемой, то говорят, что система ограничена по мощности. Позже будут проанализированы дополнительные потери, возникающие при вводе излучения в волокно, а также в разъемных и неразъемных соединениях. Для некоторых трактов мощность сигнала на приеме достаточна, но искажения формы сигнала препятствуют безошибочному восстановлению передаваемого сообщения. Говорят, что такие системы ограничены шириной полосы пропускания.

Искажение сигналов в СОВ

В ступенчатом ОВ сигналы искажаются вследствие материальной и волноводной дисперсии и многомодового уширения импульсов. Величина уширения импульса из-за многомодовости в диэлектрическом полосковом волноводе равна . В терминах относительного изменения показателя преломления D и числовой апертуры NA это уширение может быть представлено в виде

, (2.1)

где n1 и n2 близкие по величине. Используя типичные значения для кварцевых волокон n1 = 1,48 и n2 = 1,46, находим, что D(t/L)= 67 нс/км. Это довольно большое значение. Экспериментально полученные значения уширения импульсов для большинства СОВ из кварца дают несколько меньшие значения – 10…50 нс/км. Расхождение возникает вследствие нескольких причин: перемешивания мод и преимущественного затухания высших мод.

Перемешивание мод обусловлено обменом мощности между модами в процессе их распространения. Луч некоторой моды может отклоняться (на изгибах и в соединителях) и попадать на траекторию другой моды. На неоднородностях лучи могут преобразовываться из мод низшего порядка в моды высшего порядка и наоборот. В результате такого непрерывного перемешивания мод энергия, переносимая любой из мод, распространяется по зигзагообразной траектории, которая находится между самой короткой (осевая мода) и самой длинной траекторией (критическая мода). Все лучи проходят примерно одинаковое расстояние, что существенно уменьшает многомодовое уширение импульса. Премешивание мод не является преобладающим фактором, так что модовые искажения остаются главной причиной уширения импульсов в СОВ. Хотя перемешивание мод и уменьшает значение уширения импульса, оно является нежелательным явлением. Отклонения могут направлять некоторые лучи по траекториям, что углом, меньшим критического угла. Энергия этих лучей будет потеряна, что приводит росту затухания в волокне.

Вторая причина снижения значения уширения импульсов – повышенное затухание мод высших порядков. Эти моды распространяются по волокну в течение большего промежутка времени, чем моды низших порядков, вследствие их зигзагообразных траекторий, и более глубокого проникновения в оболочку. Следовательно, они испытывают большее затухание. Имея меньшие амплитуды, они дают меньший вклад в мощность выходного импульса, чем моды нижних порядков. Взяв производную от выражения (2.1) видим, что все моды переносят одинаковую мощность. Если модами высшего порядка пренебречь вследствие их уменьшенного вклада, то уширение импульса будет меньшее, чем значение, предсказанное уравнением (2.1). Избирательное поглощение, вызывая снижение уширения импульса, увеличивает результирующее затухание сигнала аналогично тому, как это происходит при перемешивании мод.

На короткой линии связи (несколько десятков или сотен метров) источник света может возбуждать только отдельные моды низкого порядка. Это происходит при возбуждении волокна лазерным диодом, чья диаграмма направленности излучения не может возбудить (наполнить) все моды волокна. Это также наблюдается и в случае использования светоизлучающего диода. В длинном волокне все моды были бы, в конечном счете, возбуждены из-за дефектов тракта. В коротком волокне этого не происходит. Таким образом, модовое уширение обусловлено только некоторыми модами, чьи углы распространения (и, следовательно, скорости) не слишком отличны друг от друга. Можем (консервативно) использовать теоретические результаты как верхние пределы для значения модового уширения импульсов.

Следует подчеркнуть, что модовые искажения не зависят от длины волны или ширины спектра источника излучения. В этом их отличие от материальной и волноводной дисперсии, которые зависят и от длины волны и ширины спектра источника излучения.

Общее (результирующее) уширение импульса Dt вследствие модовых искажений и двух составляющих дисперсии

, (2.2)

где (Dt)мод – многомодовое уширение импульса и (Dt)дис – уширение импульса вследствие дисперсии. Это уравнение является наиболее общим выражением совместного учета и модового и дисперсионного уширения импульсов. Модовые искажения и дисперсия не складываются алгебраически, поскольку они вызваны независимыми причинами. Обычно, дисперсия вносит только малую долю в общее уширение многомодовых СОВ.