Оптические излучатели

Рис. 4.6.Типы волн, распространяющихся по световодам

Направляемые волны — это основной тип волны, распространяющейся по ВОЛС.

Излучаемые волны возникают при вводе света в волновод. Здесь определенная часть энергии уже в начале линии излучается в окружающее пространство и не распространяется вдоль световода. Это связано с дополнительными потерями энергии и приводит к возможности приема излучаемых в пространство сигналов.

Вытекающие волны частично распространяются вдоль волновода, а частично переходят в оболочку и распространяются в ней или выходят наружу. Причины возникновения излучения (утечки световой информации) в разъемных соединениях ВОЛС представлены на рис. 4.7.

Все эти причины приводят к излучению световых сигналов в окружающее пространство, что приводит к затуханию, или потере, полезного сигнала в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС).

Исходя из особенностей оптического волокна (ОВ), модель затухания сигнала в ВОЛС должна включать в себя две части:

• затухание оптического сигнала (ОС), обусловленное физическими особенностями ОВ;

• затухание ОС, обусловленное преднамеренными действиями на ОВ потенциального нарушителя.

Рис. 4.7.Причины возникновения излучения в ВОЛС

Затухание ОС за счет физических особенностей ОВ обусловлено существованием потерь при передаче информации.

При распространении оптического импульса вдоль однородного волокна мощность Pи энергияWимпульса уменьшаются из-за потерь энергии, вызванных рассеянием и поглощением по экспоненциальному закону (закон Бугера, рис. 4.8) и определяется, как

P(L) = P(0) e, W(L) = W(0) e

Рис. 4.8. Закон Бугера. Зависимость мощностей световых импульсов от расстояния вдоль волокна на длинах волн 1550 нм, 1300 нм и 985 нм

Здесь P(L)— мощность излучения на расстоянииL;P(0)— мощность излучения в начальной точке;α— коэффициент затухания, определяемый выражением:

α = ln

В единицах дБ/км коэффициент ослабления αможет быть выражен, как

α = log = 4.343α (км)

Зависимость коэффициента затухания от длины волны проиллюстрирована на рис. 4.9.

Рис. 4.9.Зависимость коэффициента затухания от длины волны

Затухание света в ОВ включает в себя потери на поглощение, потери на рассеяние и кабельные потери. В свою очередь, потери на поглощение (α) и на рассеяние (α) вместе определяются, как собственные потери (α), а кабельные потери (α) и потери, связанные с несанкционированным доступом (НСД), в силу их физической природы, можно назвать дополнительными потерями (α).

Затухание сигнала в ОВ зависит от длины волны и составляет 0,5 дБ/км для 1300 нм и 0,3 дБ/км для 1550 нм стандартного одномодового волокна (сплошная линия). Это волокно имеет пик затухания в области 1400 нм, который является результатом поглощения энергии молекулами воды. Пунктирной линией на рис. 4.9 показано затухание для волокна AllWave®, свободного от воды.

Таким образом, полное затухание в ОВ с учетом НСД можно представить в следующем виде:

α = α + α = α + α + α + α

Потери на поглощение αсостоят из потерь в кварцевом стекле, которые определяются, как ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение, а также из потерь, связанных с поглощением оптической энергии на примесях (α). Потери в кварцевом стекле вызываются собственным поглощением атомами оптического материала — кварца (α) и поглощением атомными дефектами в стеклянном составе (α)).

α = α + α + α

Основной реакцией стекловолокна на атомное излучение является увеличение затухания оптической энергии вследствие создания атомных дефектов, или центров ослабления, которые поглощают оптическую энергию.

Поглощение на примесях (загрязнениях) возникает преимущественно от ионов металла и от OH(водяных) ионов. Примеси металла обуславливают потери от 1 до 10 дБ/км.

Ранее ОВ имели высокий уровень содержания OH-ионов, который приводил к большим пикам поглощения на длинах волн 1400, 950 и 725 нм. Путем уменьшения остаточного содержанияOH-ионов в волокне (для одномодовых волокон — около 1 части на миллиард), в настоящее время ОВ имеют номинальные затухания 0,5 дБ/км в 1300 нм и 0,3 дБ/км в 1550 нм, как показано сплошной линией на рис. 4.9. Следует обратить внимание на центр примеси в районе 1480 нм, который является примесьюOH-ионов в волокне. На этой длине волны всегда присутствует пик поглощения в кварцевом волокне.

Так называемые центры примеси, в зависимости от типа примеси, поглощают световую энергию на определенных, присущих данной примеси, длинах волн и рассеивают ее в виде тепловой энергии.

Собственное поглощение атомами оптического материала включает в себя:

• поглощение электронов в ультрафиолетовой области;

• поглощение электронов на границе инфракрасной области.

Ультрафиолетовая граница поглотительных полос электронов, в соответствии с законом Урбача, определяется как:

α = С e,

где Си E — эмпирические постоянные, аE — энергия фотона.

Характерное распределение ультрафиолетового поглощения представлено на рис. 4.10.

Значение затухания в ультрафиолетовой области мало, по сравнению с затуханием в инфракрасной области, для малых значений энергии фотона. Собственные потери на поглощение возрастают при увеличении длины волны излучения и становятся значительными в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. Так при длине волны излучения больше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло теряет свойство прозрачности из-за роста потерь, которые связаны с инфракрасным поглощением (рис. 4.11).

Рис. 4.10.Распределение ультрафиолетового и инфракрасного поглощения

Рис. 4.11. Сравнение инфракрасного поглощения, вызванного различными примесями

На рис. 4.12 представлена зависимость потерь от длины волны излучения для ОВ из кварцевого стекла с предельно малыми потерями и многокомпонентных ОВ, изготовленных из различных оптических материалов.

Рассеивание представляет собой процесс удаления части энергии из распространяющейся волны с последующей эмиссией некоторой части этой энергии.

Рис. 4.12.Зависимость потерь от длины волны для различных материалов

Источники возникновения рассеяния в ОВ:

• маленькие газовые пузырьки;

• неоднородный состав оптического материала;

• изгиб ОВ.

Потери на рассеяние становятся определяющим фактором затухания в волокне уже в 1970 г., когда была достигнута чистота ОВ порядка 99,9999%.

Дальнейшему уменьшению затухания препятствовали потери на рассеяние. В общем виде потери на рассеяние определяются следующим выражением.

α = α + α + α + α+ α + α

Здесь под αподразумеваются потери, обусловленные Релеевским рассеиванием. Причиной Релеевского рассеяния является то, что атомы в стекле (SiO) имеют случайное пространственное распределение, и локальные изменения в составе приводят к локальному изменению индекса преломления, что и вызывает рассеяние оптической энергии. Поэтому волны малой длины должны больше рассеиваться и, следовательно, иметь более высокие потери, чем волны с большей длиной.α — потери, обусловленные Ми-рассеянием. Данный тип линейного рассеяния возникает на ионах примеси, размер которых сравним с длиной волны. В высококачественных ОВ такие потери отсутствуют.α— суммарные потери, обусловленные микро- (α) и макро- (α) изгибами ОВ, определяются выражением:

α = α + α

Микроизгибы возникают в процессе изготовления ОВ и при формировании пластикового конверта в процессе изготовления оптического кабеля. Макроизгибы возникают в процессе прокладки оптического кабеля и являются функцией от радиуса изгиба ОВ. Тогда потери на макроизгибах можно представить выражением:

α = 2 α + α + α,

где α— потери, обусловленные переходами от прямого участка световода к изогнутому, а также от изогнутого к прямому участку;α — потери на изогнутом участке ОВ;α— потери, обусловленные наличием микротрещин.

α— суммарные потери, обусловленные стыковкой ОВ и определяемые внутренними (α) и внешними (α) потерями согласно выражения:

α = α + α

Внутренние потери определяются трудно контролируемыми факторами — парной вариацией диаметров сердцевин, показателей преломления, числовых апертур, эксцентриситетов “сердцевина — оболочка”, концентричностью сердцевины у соединяемых волокон. Можно получить случайные изменения перечисленных факторов, так как они зависят не от конструкции соединителя, а от технологии производства ОВ.

Причинами внешних потерь являются несовершенства конструкции соединителя, а также процесса сборки ОВ и соединителя. Внешние потери зависят от механической нестыковки (угловое, радиальное и осевое смещение), шероховатости на торце сердцевины, чистоты участка и наличия зазора между торцами стыкуемых ОВ. Наличие зазора приводит к появлению френелевского отражения из-за образования среды с показателем преломления, отличным от показателя преломления ОВ.

α = α + α + α + α,

где α — потери, вызванные угловым смещением световодов;α — потери, вызванные радиальным смещением осей ОВ;α — потери, вызванные осевым смещением торцов ОВ;α — потери, обусловленные обратным френелевским отражением.

Учитывая изложенное, выражение для αпримет следующий вид:

α = α + α + α + α + α

Суммарные потери, обусловленные стыковкой ОВ, также носят название вносимых потерь.

α — потери, обусловленные вынужденным комбинационным рассеянием. Это рассеяние называется рассеянием Рамана-Мандельштама и возникает в волокне тогда, когда проходящая в нем оптическая мощность достигает некоторого порога. Порог рассеяния зависит от площади поперечного сечения и длины ОВ, а также от коэффициента потерь. Рассеяние распространяется преимущественно в направлении исходного излучения.

α — потери, обусловленные вынужденным рассеянием Мандельштама-Бриллюэна. Физическая суть рассеяния состоит в том, что при достаточно высоком уровне мощности излучения происходит изменение энергетических квантовых состояний молекул и атомов ОВ, выражающееся в колебательном движении молекул. Это приводит к флуктациям плотности вещества, т.е. к возникновению акустических фононов. На этих фононах происходит нелинейное рассеяние света, заключающееся в том, что фотоны отдают часть энергии акустическим фононам, в результате чего в спектре излучения появляются новые компоненты, называемые стоксовыми.

Для обеспечения работоспособности ВОЛС необходимо, чтобы для полного затухания αсигнала в волоконно-оптическом тракте выполнялись следующие условия:

α = P – P – αприP  P;Δα  α

Здесь P — мощность излучения оптического передатчика (дБ/м);P — мощность на входе фотоприемника (дБ/м);α — эксплуатационный запас (дБ/м);Δα — абсолютное изменение затухания тракта при изменении температуры окружающей среды.

Параметр αопределяет длину регенерационного участка.

Таким образом, величина потерь мощности P в произвольной точке определяются решением системы уравнений:

P =