Одной из важнейших характеристик световодов, как и любой линии передачи, является коэффициент затухания α. Это величина примерно обратная светопропусканию — 1 св, т. е. α=104 1g (100/1 св).
Формула для расчета коэффициента затухания сигнала, распространяющегося по оптическому кабелю, может быть представлена в виде [24]
где kyn — коэффициент заполнения, примерно равный 0,5. Потери на отражения на границе раздела сердечник — оболочка αοтр в случае неполного внутреннего отражения
(7.32)
где l — длина световода; η — доля потерь энергии при единичном отражении, для световодов с гладкими поверхностями η = 10-6-10-7. Значение аотр может быть равным 1—10 дБ/км.
Основную долю составляют потери на поглощение в сердечнике световода:
(7.33)
где σi — вид поглощения; Ni — число видов поглощения.
Все виды потерь, кроме аа.п, увеличиваются с ростом апертуры световода.
Рассмотрим распространение световой энергии по световоду, размеры которого значительно превосходят длину волны света (на примере основного вида световода — цилиндрического двухслойного волокна). Сердечник световода изготовляют из оптически более плотного материала, чем оболочка (п1>п2). При падении световой волны на поверхность раздела сердечник—оболочка под определенными (малыми) углами к оси световода вся энергия отражается внутрь сердечника и передается вдоль световода. Численные значения коэффициентов преломления (коэффициенты оптической плотности) п1и п2 близки. Например, для световодов, имеющих диаметры d1=20-50 мкм и d2=1,1d1, п1=1,61; п2=1,53; φ0=33°; А0=0,54.
Значительную часть потерь составляют потери, обусловленные поглощением в материале из-под примесных элементов. Многочисленные ионы металлов, имеющие электронные переходы в области 0,5—1 мм, вызывают полосы поглощения [19].
На рис. 7.14 приведены полосы поглощения ионов Сr3+, Сu2+, Fe2+ и ОН. Как видно, ширина полосы поглощения зависит от элемента. Кроме того, она зависит от валентного состояния данного иона, а также от состава стекла и технологии его изготовления. Высокая чистота материала обеспечивает низкий уровень потерь.
Рис. 7.14. Зависимость относительных потерь поглощения в волокне от длины волны для некоторых примесных элементов, содержащихся в стекле
Существует ряд механизмов рассеяния — рэлеевское, рассеяние Ми, вынужденное комбинационное, вынужденное мандельштам- бриллюэновское. Рэлеевское рассеяние обусловлено тепловыми флуктуациями, фазовым разделением на интервалах, меньших длины волны. Рассеяние Ми происходит на неоднородностях, сравнимых по размеру с длиной волны. Вынужденное комбинационное рассеяние и вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна являются нелинейными эффектами, которые проявляются, начиная с некоторого критического уровня плотности мощности [19]. При передаче сигналов на большие расстояния нелинейные эффекты определяют верхний предел уровня передаваемой мощности.
Рассеяние в световоде обусловлено нестабильностью поперечных геометрических размеров сердечника волновода и нестабильностью коэффициента п вдоль оси z. При этом возможна «перекачка» мощности между направляемыми модами, что влияет на величину многомодовой дисперсии. Некоторая доля мощности передаваемого сигнала рассеивается в оболочку. В свою очередь, возможна обратная перекачка мощности от мод в оболочке к направляемым модам в сердечнике световода. Покрытие оболочки специальной поглощающей «рубашкой» увеличивает потери в оболочке для распространяющихся в ней мод, не увеличивая затухания направляемых мод в сердечнике световода.
Коэффициент затухания в световодах не зависит от частоты в широком диапазоне частот, однако дисперсия значительно зависит от частоты. Распространение симметричных волн ограничено критической частотой fкр, ниже которой передача невозможна. Смешанная волна НЕ11 не имеет критической частоты, а коэффициент затухания при ее распространении плавно увеличивается с ростом частоты. Коэффициент затухания увеличивается также с ростом εn и tgδ материала световода. Частотная характеристика такого оптического кабеля намного лучше, чем коаксиальных кабелей, близких по геометрическим размерам (рис. 7.15), и значительно зависит от чистоты материала (рис. 7.16).
Рис. 7.15. Частотная зависимость (экстраполированная) коэффициента затухания волоконного световода (1) и коаксиальных кабелей: РК-50-24-15 (2); РК-50-9-12 (5); РК-100-7-11 (4); РК-75-4-11 (5); РК-50-3-11 (6)
Рис. 7.16. Частотная зависимость коэффициента затухания оптических кабелей из силикатного (1) и кварцевого (2) стекла
Материалами для сердечника и оболочки стеклянных волоконных световодов с малыми потерями являются чистое кварцевое стекло либо кварцевое стекло, легированное различными элементами методом химического осаждения из газовой фазы.
Ниже приведены значения коэффициентов преломления материалов, используемых для изготовления световодов.
Воздух.................................................................................................. 1,0
Вода.................................................................................................. 1,33
Стекло......................................................................................... 1,50
Алмаз................................................................................................ 2,40
Спирт................................................................................................ 1,36
Фторопласт...................................................................................... 1,34
Кварц................................................................................................ 1,60
