4. Затухание световодов.

Волоконные световоды характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Затухание предопределяет длину регенерационных участков (расстояние между регенераторами). Коэффициент затухания световодных трактов оптических кабелей  обусловлен собственными потерями в волоконных световодах _C и дополнительными потерями, так называемыми кабельными _K, вызванными скруткой, а также деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля:  = _C + _K.

Собственные потери волоконных световодов состоят: из потерь поглощения энергии в диэлектрике _П; потерь рассеяния ее на мельчайших частицах световодной структуры _Р. Потери поглощения существенно зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей могут достигать значительной величины (_П + _ПР). Потери на рассеяние лимитируют предел минимально допустимых значений потерь в волоконных световодах. В результате:  = _П + _Р + _ПР + _К.

Затухания поглощения _П связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет с частотой и существенно зависит от свойств материала световода (tg).

Потери обусловлены комплексным характером показателя преломления , который связан с выражением .

Затухание поглощения определяется отношением величины потерь в световоде к удвоенному значению всей мощности, передаваемой по световоду:

, где ;.

Тогда ,

где – проводимость материала световода; – волновое сопротивление; – скорость распространения энергии по световоду.

Используя условие и , получаем формулу расчета потерь на поглощение, Дб/км:

,

где – показатель преломления; – длина волны; tg – тангенс угла диэлектрических потерь в световоде.

Выражая tg через комплексный показатель преломления, получаем:

Если коэффициент преломления имеет действительное значение , то и потери на поглощение отсутствуют.

Потери на рассеяние (_Р) обусловлено неоднородностями материала волоконного световода, размеры которых меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления.

Рассеяние, называемое рэлеевским, определяются по формуле, дБ/км:

,

где – коэффициент рассеяния, равный (11,5) (мкм⁴ дБ)/км – для кварца.

Потери на рэлеевское рассеяние определяют нижний предел потерь, присущи волоконным световодам. Этот предел различен для различных волн, и с увеличением длины волны уменьшается. На рис. 4 представлены частотные зависимости коэффициента затухания волоконного световода.

Рис. 7. Частотная зависимость затухания поглощения _п и затухания рассеяния _р

Потери энергии существенно возрастают за счет наличия в материале волоконного световода посторонних примесей, таких как гидроксильные группы (ОН), ионы металлов (железа, кобальта никеля, меди) и другие включения. Присутствующие в стекле ионы металлов имеют электронные переходы в области длин волн 0,51 мкм и вызывают соответствующие полосы поглащения. За счет ионов гидроксильных групп проявляются поглощения на длинах волн 0,95; 1,24 и 1,39 мкм. Максимум поглощения на волне 2,7 мкм. Наличие этих примесей приводит к возрастанию потерь в волокне и появлению резонансных всплесков затухания. Затухание в инфракрасной области (свыше 1,6–2 мкм) определяется по формуле, дБ/км

, где ; .

Волнообразный характер потерь на примере (_ПР) обусловлен проявлением резонансных всплесков затухания при определенной длине волны. Из таблицы видна целесообразность работы световода при  равной 0,85; 1,3 и 1,55 мкм.

Таблица 3

, мкм	, дБ/км	lр, км
0,85	2  3	10 – 15
1,3	0,7  1,0	30 – 40
1,55	0,3  0,5	60 – 100

Рис. 8. Затухание волоконного световода при различных длинах волн

Кроме собственных потерь (_С) надлежит учитывать также дополнительные- кабельные потери (_К), связанные с геометрией волокна и наличием оболочки (=_С+_К).

Основными факторами, приводящими к потерям, вызываемыми геометрией волокна, являются:

1. Непостоянство размеров поперечного сечения сердцевины волокна по длине

2. Неровности границы раздела сердцевина - оболочка

3. Нерегулярности, связанные с наличием микроизгибов и макроизгибов волокна.

Макроизгибы обусловлены скруткой волоконных световодов по геликоиде вдоль всего оптического кабеля. Микроизгибы связаны с конструктивными и технологическими неоднородностями волоконного световода в процессе его изготовления.

При достаточно хорошо отработанной технологии производства оптических кабелей доминируют потери на микро изгибы. Наличие оболочки и защитного покрытия волокна также приводит к дополнительным потерям за счет частичного проникновения поля в эти среды.

Установлено, что все эти кабельные потери _K приводят к значительному увеличению затухания. Так, если собственное затухание световода _C=3дБ/км, то за счет дополнительных кабельных потерь оно возрастает до 4...5 дБ/км.

На рис. 8 показано изменение затухания волоконного световода в зависимости от длины волны для кварцевого стекла, очищенного от посторонних примесей. На графике четко видны три окна прозрачности световода, причем с увеличение длины волны коэффициент затухания снижается и соответственно увеличивается длина регенерационного участка, определяемая по критерию затухания.

Отсюда видна явная целесообразность использования диапазона волн 1,3...1,55 мкм. Для работы по волоконо-оптическим линиям связи. Этим объясняется целесообразность применения волн этой длины для организации междугородней связи с расстоянием между регенераторами 40...80 км.