Затухание и дисперсия
Затухание световых волн в процессе их распространения вдоль оптоволокна ограничивает расстояние для передачи сообщений, в то время как дисперсия светового сигнала ограничивает скорость передачи информации.
Свет, распространяясь в объеме оптического волокна, затухает по мере его распространения. Коэффициент затухания световой волны определяется техническим термином [дБ/км]:
, [дБ/км],
если L
выражается в [км], (105)
где ϒ =P(L)/P(0). P(L) – световая интенсивность на выходе оптоволокна, а P(0) – интенсивность на входе.
С другой стороны, отношение интенсивностей в соответствие с законом Буггера-Бэра-Ламберта записывается в виде:
, (106)
где α – общепринятый коэффициент поглощения, имеющий размерность [1/км].
Поэтому
связь между физическим коэффициентом
затухания и коэффициентом затухания,
выраженным в [дБ/км] дается соотношением:
.
Коэффициент затухания плавленого кварца (SiO2) сильно зависит от длины световой волны, распространяющейся в этом материале. Этот материал имеет две зоны поглощения, связанные с радикалами OH всегда присутствующие в этом материале, которые попадают в него в процессе изготовления оптоволокна. Эти зоны располагаются в средней инфракрасной области как это показано на рис.23.
Релеевское рассеяние света – другой внутренний механизм затухания световой волны, связанный с флуктуациями коэффициента преломления оптоволокна. Амплитуда рассеянного света уменьшается пропорционально ν2, где ν – частота света. Поэтому интенсивность рассеянного света меняется пропорционально 1/λ4, где λ – длина световой волны. Поэтому свет с малой длиной волны рассеивается сильнее, чем свет с длиной волны в инфракрасной области. Подобный эффект имеет место при рассеянии солнечного света в атмосфере Земли, объясняющий голубое свечение атмосферы в ясный солнечный день.
В свою очередь, коэффициент затухания света в материале связывается как с собственно коэффициентом поглощения света в материале, так и с коэффициентом рассеяния светового потока:
. (107)
Коэффициент затухания плавленого кварца (SiO2) сильно зависит от длины волны света, распространяющегося в оптоволокне. Имеются две зоны поглощения, где коэффициент затухания существенно возрастает. Обе эти зоны располагаются в средней инфракрасной области.
Релеевское рассеяние – другой внутренний механизм затухания, связанный с флуктуациями коэффициента преломления в объеме оптоволокна. Амплитуда рассеянного света пропорциональна ν2, где ν – частота световой волны. Поэтому интенсивность рассеянного света уменьшается как ≈1/λ4, где λ – длина световой волны (рис.23). С этим эффектом связан голубой цвет неба в солнечный день.
рис.23. Зависимость коэффициента затухания и коэффициента дисперсии световой волны в оптоволокне от длины волны света.
Когда длина волны света возрастает, достигая средней инфракрасной области, затухание уменьшается до минимального значения, приблизительно равного 0.3 дБ/км при λ=1300 нм, немного увеличивается при λ=1.4 мкм вследствие поглощения света на OH радикалах, затем падает снова до абсолютного минимума ≈0.16 дБ/км при λ=1550 нм. За этим пределом затухание быстро возрастает (рис.23). В настоящее время ведутся широкие технологические исследования, направленные на снижение концентрации OH в объеме оптоволокна.
Зависимость коэффициента дисперсии волокна показана на том же рис.23. По мере увеличения длины световой волны коэффициент дисперсии изменяется от отрицательных значений в случае длин волн λ≤1300 нм, переходит через нулевое значение и становится положительной величиной при λ>1300 нм.
В среде с отрицательным коэффициентом дисперсии при заданной длине световой волны высокочастотные компоненты фурье-разложения светового импульса отстают во времени от распространения низкочастотных компонент в рассматриваемый момент времени. Такие изменения формы импульса называют нормальной дисперсией. В обратном случае, который называется аномальной дисперсией, происходит обратное явление – высокочастотные компоненты импульса опережают во времени низкочастотные компоненты. Соответственно, наиболее привлекательными частотными диапазонами для передачи сообщений по оптоволоконным линиям являются те, при которых затухание световой волны имеет наименьшее значение при минимальном абсолютным значении коэффициента дисперсии материала. Поэтому частотные области O и C на рис.23 являются основными критериями для разработки наиболее эффективных систем передачи информации.