|
| |
|
Слаботочка Книги в заключение отметим еще один очень важный для дисперсионных расчетов эффект - связь мод в многомодовых световодах. Выше предполагалось, что отдельные моды (или лучи с разными углами падения) распространяются по волокну независимо друг от друга и не смешиваются. Естественно, что идеализация и наличие в реальном световоде тех или иных нерегулярностей (флуктуации состава и соответственно величины п, непостоянства геометрии, микроизгибов, нарушений на границе раздела сердцевина- оболочка и т. п.) приводят к «перекачке» энергии между модами. В представлениях геометрической оптики это значит, что луч с углом падения фь преломившись на неоднородности, меняет угол распространения на фг. Возможность проявления этого эффекта становится очевиднее, если вспомнить, что на 1 км пути укладывается около 10 длин волн света и в то же время происходит более 10* актов отражения светового луча от границы сердцевина - оболочка. Связь или смешение мод приводит к тому, что часть энергии медленных мод переходит в быстрые .и наоборот; это ведет к некоторому выравниванию времен распространения медленных и быстрых мод - в итоге дисперсия уменьшается. Математическое описание явления в общем виде очень сложное, важнейший результат смешения мод состоит в •следующем: Оов ~ Vo L или - ]/L, (9.16) где Lo - характеристическое расстояние, на котором устанавливается постоянный модовый состав. Дисперсионное размытие светового импульса «набегает» не пропорционально длине световода L, а пропорционально V L, т. е. значительно слабее. Величина Lo может быть определена лишь экспериментально, она тем больше, чем совершеннее световод, и может достигать десятков километров. Естественно, что при L<Lo сохраняется прежний закон: GOBL. Затухание. Причинами потерь оптической мощности при распространении сигнала по волокну являются различные виды поглощения, а также обусловленная рассеянием деформация углового распределения лучевого потока и вытекание возникающих внеапертурных лучей из сердцевины. Для количественной оценки потерь пропускания используется удельное затухание оптического сигнала, выраженное в дБ/км, В= J-101g(P,/P,,J, (9.17) где Рвх и Рвых - мощности каналируемого излучения на входе и выходе световода длиной L, км. Если имеются различные невзаимодействующие механизмы потерь, то определенные по (9.17) затухания складываются, т. е. Вполн= ЦЬ,, (9.18) где bi - удельное затухание, вносимое t-м механизмом потерь. Рассмотрим наиболее существенные из этих механизмов. 1. Фундаментальные потери, присущие материалу и принципиально неустранимые. Выделяют два вида фундаментальных потерь. Один вид - собственное поглощение в материале световода (потери Ьы), которое в УФ-области связано с электронными переходами между разрешенными энергетическими уровнями атомов, а в ИК-области - с многофотонным и колебательным возбуждением молекул. «Хвосты» полос поглощения могут доходить до рабочего диапазона длин волн световода, что проявится в затухании. Экспериментально установлено, что для кварца уже при ?10,6 мкм УФ-поглощение становится меньше 1 дБ/км, а ИК-поглощение, эффективное при Л8... 12 мкм, при Х~1 мкм вообще не сказывается. Другой вид фундаментальных потерь - релеевское рассеяние иа различного рода нерегулярностях, приводящее к потерям V. = *pвл- (9-19) где постоягная Хрел тем меньше, чем ниже температура «замораживания» флуктуации состава световода, охлаждаемого при изготовлении. Для кварца при его тщательной обработке экспериментально получено Крел~0,7 дБ/(км•МКМ"*), чтс для Х=0,82 мкм дает л; 1,5 дБ/км, а при Х=1,55 мкм Орел л0,14 дБ/км. Следует подчеркнуть, что Крел не универсальная константа, она зависит и от выбора материала световода, и от технологии его обработки, т. е. принципиально можно ожидать получения меньших, чем достигнуто в кварце, релеевских потерь. Наиболее характерным моментом в (9.19) является сильная зависимость Ьрел от "к, из чего следует, что в дальней ИК-области релеевские потери становятся пренебрежимо малыми. 2. Примесное поглощение, обусловленное наличием примесей (потери Ьион)- В кварце такими примесями, проявляющимися как центры окраски, являются ионы металлов группы медь - хром, а именно медь, хром, магний, никель, железо. Однако при современных методах очистки роль примесей в кварце оказывается несущественной; значение их как центров окраски сохраняется лишь для многокомпонентных стекол. Значительное поглощение происходит за счет гидроксильной группы ОН (потери Ьон), но спектр этого поглощения имеет характер отдельных узких полос, так что в промежутках между ними дополнительное затухание может быть ничтожным. Основной пик колебательного возбуждения связи О-Н наблюдается при К = 2,72 мкм, меньшие пики, обусловленные обертонами, - при длинах волн 1,24; 0,94; 0,88; 0,72 мкм. Рабочую длину волны излучателя стремятся поместить между этими пиками. 3. Технологические разбросы определяющих параметров световода (потери Ьтехн): эллиптичность сердцевины, статистические флуктуации ее диаметра и показателя Д по длине световода, нарушения выбранного закона распределения показателя прелом- .ления по сечению сердцевины [в частности, очень часто на оси световода наблюдается провал кривой п(г)]. Все это приводит к рассеянию и перекачке части энергии распространяющегося излучения в вытекающие моды. 4. Явления, связанные с дефектами эксплуатации, проявляющимися уже после изготовления волокна. Это потери, обусловленные микроизгибами, возникающими в местах контакта волокна с защитными оболочками и упрочняющими элементами кабеля. Практически после укладки волокна в кабель его затухание может на 20 ...50% превысить исходное значение. Дополнительные механические напряжения и микроизгибы возникают также при изменении температуры окружающей среды, причем они тем значительнее, чем шире диапазон рабочих температур ДОраб. Характерно, что температурные эффекты обусловлены не только взаимодействием волокна с окружающими элементами, но и внутренними напряжениями, а также изменением величины Д из-за различия (пусть незначительного) физических свойств сердцевины и оболочки. Оба вида потерь - кабельные Ькаб и температурные bg - полностью устранить не удается, однако при оптимальной конструкции волокна и кабеля они могут быть достаточно малыми. 5. Потери Ьп, обусловленные воздействием проникающей радиации и принципиально не устранимые. В кварцевых волокнах ионизирующее излучение приводит к разрыву связей в молекуле SiO2 и появлению свободных связей, которые служат ловушками зарядов, что повышает в конечном счете затухание сигнала. Детальное описание радиационного воздействия вызывает сложности, наблюдаемые явления не всегда допускают однозначную интерпретацию, однако некоторые общие закономерности для кварцевых световодов все же могут быть сформулированы. Установлено, что прн малых дозах, не превышающих 10 рад, различные виды радиации (электроны, протоны, нейтроны, альфа-, гамма- и рентгеновское излучения) оказывают на световоды практически одинаковое воздействие. При слабых воздействиях дополнительное поглощение сначала линейно зависит от дозы, а затем наблюдается насыщение. Наведенное поглощение состоит из двух компонентов: стабильного и нестабильного, исчезающего при отжиге или интенсивной засветке. Как правило, оба компонента наведенного поглощения значительно больше для легированного, чем для чистого кварца. Важная общая закономерность радиационных дефектов проявляется в том, что они тем меньше влияют на затухание, чем больше длина волны излучения: в первом приближении при Ля» «1 мкм наведенные потери пропорциональны где г=5...7. 6. Потери Ьд, возникающие вследствие временных деградационных явлений. При вытягивании волокон на их поверхности образуются микротрещины, которые с течением времени могут увеличиваться и вызывать появление дополнительных потерь (а в конечном счете и полное разрушение волокна). Процесс сущест- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 [94] 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |