Измерение затухания оптических кабелей

Затухание определяет длину регенерационных участков (расстояние между регенераторами). Затухание световодных трактов ОК (а) обусловлено собственными потерями в ВС (ас ) и с дополнительными потерями, так называемыми кабельными (аk), к обусловленными структурой, а также деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления ОК. Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения (αn) и потерь рассеяния (αp). Механизм потерь, возникающих при распространении по ВС электромагнитной энергии, иллюстрируется на рис. 1

Рис.1

 

Часть мощности, поступающей на вход световода, рассеивается вследствие изменения направления распространяемых лучей на нерегулярностях и их высвечивания в окружающее пространство (αр), другая часть мощности поглощается посторонними примесями, выделяясь в виде джоулева тепла (αn).

Потери на поглощение (αn+ αпр). Потери на рассеяние α= αn+ αпр+ αр+ аk. Затухание поглощения: α = Рn /2Р, где Pn=GU2 , P=U2 /Zв .Тогда αn = GZв /2, где G = ωξ0 tgδ — проводимость материала световода; Zд - волновое сопротивление.

Если υ=1/√μаξа- скорость распространения энергии по световоду, то, используя условия υ = c/n и с = λf, получаем формулу расчета потерь на поглощение в световоде, дБ/км:

αn=(8,69πntgδ*103)/ λ (1)

Частотная зависимость затухания поглощения имеет линейный характер. Рассеяние обусловлено неоднородностями материала ВС, размеры которых меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления. Величина потерь на рассеяние, называемое рэлеевским, определяется формулой, дБ/км:

- где Кp - коэффициент рассеяния. (2)

 

Потери на рэлеевское рассеяние определяют нижний предел потерь, присущих ВС. Этот предел разный для различных волн и с увеличением длины волны уменьшается. На рис. 2 представлены частотные зависимости коэффициента затухания ВС. Из представленных графиков видно, что потери на поглощение растут линейно с увеличением частоты, а потери на рассеяние существенно быстрее - по закону f . Потери энергии значительно возрастают из-за наличия в материале ВС посторонних примесей (αпр ), таких как гидроксильные группы (ОН), ионы металлов (Fe, Cu, Ni, Co).

Рис 2. Частотная зависимость коэффициентов затухания поглощения αn затухания рассеяния αр

В табл. 1 приведены значения коэффициента затухания различных кварцевых стекол, а также длины регенерационных участков L = 30/αЭ , исходя из энергетического потенциала аппаратуры αЭ=30дБ.

Таблица 1.

Из таблицы видно, что обычное оконное стекло за счет примесей имеет очень большое затухание и требует установки регенераторов через каждые 10м. Начиная с 1970 г. качество стекла постоянно улучшается, а длина регенерационного участка доведена до 100 км. Сегодня известны стекла с затуханием 0,1 - 0,2 дБ/км. При l>2 мкм начинают проявляться потери на поглощение передаваемой мощности. Это явление проявляется с ростом длин волн и углублением в инфракрасную область оптического спектра. Величина этих потерь αпк пропорциональна показательной функции и уменьшается с ростом частоты по закону, дБ/км:

(3)

где С и К – постоянные коэффициенты. Для кварца К=(0,7.....0,9)*10-6м.

С увеличением длины волны затухание снижается и соответственно увеличивается длина регенерационного участка (табл. 2).

Из таблицы следует, что наиболее целесообразна работа ОК на волнах 1,3 и 1,55 мкм. Представляет интерес сопоставить частотные зависимости затухания оптических и электрических кабелей. В оптических кабелях в весьма широкой полосе частот затухание стабильно, поэтому можно наращивать каналы и увеличивать мощность системы передачи без установки дополнительных усилительных пунктов. Важнейшим участком волоконно-оптического тракта является ввод излучения лазера (Л) или светодиода (СД) в оптическое волокно - световод. Качество ввода зависит от соотношения площадей излучателя Sи и сердцевины световода Sс. Существенно качество ввода зависит и от апертуры световода (А), так как только в пределах апертурного угла излучение эффективно вводится в световод. Обычно площадь излучателя больше

площади сердцевины световода, поэтому не вся излучаемая энергия поступает в оптический тракт. Потери энергии на вводе учитываются формулой, дБ:

(4)

Для расчетов могут быть приняты следующие данные: Su= 150 мкм для лазера; 500 мкм для светодиода; Sc = π82(в квадрате) /4 мкм для одномодового волокна; π 502(в квадрате) /4 - для многомодового; А = 0,2; m=2 для светодиода; m = 10 для лазера. Расчеты и измерения показывают, что обычно потери на вводе многомодового волокна больше, чем одномодового. Повышение эффективности ввода излучения достигается применением согласующего оптического устройства в виде увеличительной линзы (или комбинации линз), которая устанавливается между излучателем и торцом световода.