хание в медном кабеле, чем сигнал с частотой 10 мегагерц. В результате частота сигнала ограничивает расстояние, на которое может быть послан сигнал. Для увеличения этого расстояния требуется повторитель, осуществляющий регенерацию сигнала. В оптическом волокне оба эти сигнала будут иметь одинаковое затухание. Затухание в волокне определяется двумя эффектами:

1. Рассеяние

2. Поглощение

Рассеяние

Потери, связанные с рассеянием оптической энергии, обусловлены неоднородностью волокна и его геометрической структурой. Рассеяние на неоднород-ностях происходит во всех направлениях (рис. 6.6). Свет перестает быть направленным.

Световой луч

Дефект среды

f \

Рис. 6.6. Рассеяние

Релеевское рассеяние знакомо нам по эффекту покраснения небосвода на закате. При этом более короткие голубые длины волн рассеиваются и поглощаются сильнее, чем красные длины волн. В результате только красные длины волн достигают наших глаз, и мы видим красный закат.

Релеевское рассеяние обусловлено вариациями состава и плотности волокна, неизбежными в процессе его производства. В идеале чистое стекло имеет совершенную молекулярную структуру и, как следствие, однородную плотность. В действительности же плотность стекла не является однородной. В результате этого и возникает рассеяние.

Поскольку интенсивность рассеяния обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени, то она быстро уменьшается по мере роста длины волны. Рассеяние определяет минимальный теоретический предел затухания, равный

2.5 дБ при 820 нм

0.24 дБ при 1300 нм

0.012 дБ при 1550 нм

Поглощение

Поглогцением называется процесс, при котором неоднородности волокна поглощают оптическую энергию и преобразуют ее в тепло. При этом свет становится более тусклым. Области существенного затухания сигнала волокна связаны с молекулами воды и большим поглощением света гидроксиль-ными молекулами. К другим неоднородностям, обусловливающим поглощение, относятся ионы железа, меди, кобальта, ванадия и хрома. Для обеспечения низких потерь производители волокна должны поддерживать концентрацию этих ионов на уровне одной миллиардной. Современная технология производства волокна позволяет добиваться этого в контролируемых условиях особо чистого окружения. Поэтому проблема поглощения света в волокне не столь важна, как несколько лет назад.

Потери, связанные с микроизгибами

Этот вид затухания связан с небольшими вариациями профиля границы ядро/оптическая оболочка. На рис. 6.7 показано, что данные вариации границы могуг приводить к отражению мод высокого порядка под углами, не допускающими дальнейших отражений. При этом свет покидает волокно.

Микронеоднородности границы могуг возникнуть при производстве волокна. Развитие технологий производства волокна и кабеля направлено на уменьшение этих микронеоднородностей.

Микроизгаб

Микрокэгиб

Рис. 6.7. Лотерм и изгибы волокна

Равновесяое распределение мод

Равновесное распределение мод (РРМ) является важной концепцией в волоконной оптике. Несмотря на то, что свет в волокне переносится большим количеством мод, не все они переносят одинаковое количество энергии. Эффективность различных мод различна. В некоторых модах свет вообш;е не переносится. Более того, энергия может переходить из одной моды в другую; траектории света могут меняться.

В идеальном волокне первоначально существуюш;ая в какой-либо моде энергия сохраняется в ней. Но в действительности энергия переходит меяеду модами, что связано с изгибами волокна, вариациями диаметра и показателя преломления ядра или неоднородностями волокна.

По мере движения свет будет переходить из одной моды в другую, пока не будет достигнуто РРМ. После этого дальнейшее распределение энергии меясду модами в нормальных условиях не происходит. Оно может происходить только в экстраординарньк условиях, обусловленньк повреждением волокна или существенным изгибом кабеля. При РРМ в неэффективных модах будет потеряна оптическая энергия.

При отсутствии РРМ волокно назьшается переполненным или ненаполнен-ным. В переполненном волокне неэффективные моды участвуют в переносе оптической энергии. Свет, переносимый этими модами, быстро затухает или теряется на небольшом расстоянии. Это явление можно рассматривать как избыток энергии и не учитьшать его в большинстве случаев. Некоторые источники света, особенно СИД, могут переполнять волокно. Это означает, что они излучают свет в модах, перенос которьк вдоль волокна неэффективен. Некоторые из этих мод существуют в оптической оболочке. Другие существуют в ядре и являются модами высокого порядка, перенос которьк неэффективен.

В ненаполненном волокне свет распространяется только в модах низкого порядка. Например, лазер с узконаправленным интенсивным пучком может закачивать свет только в моды низкого порядка, движупщеся с малым количеством отражений. По мере движения часть энергии, заключенной в этих модах, перейдет в моды высокого порядка, и РРМ будет достигнуто.

Представим волокно в виде шланга для поливки. Если мы попытаемся запустить слишком большой поток воды в шланг, только некоторая часть воды попадет в него. Остальная часть воды будет двигаться по внешней поверхности шланга (вдоль оптической оболочки) и только на небольшое расстояние. Если с другой стороны мы запускаем в шланг узкий поток воды, то вода вначале не будет заполнять его целиком. Однако это произойдет на некотором расстоянии. Таким образом, поток воды в шланге достигнет по мере движения своего равновесного состояния или РРМ.

Модовое распределение в волокне короткой длины зависит от характеристик источника света. СИД, как правило, переполняет волокно. С расстоянием, однако, модовое распределение становится независимым от источника.

Расстояние, на котором достигается РРМ, зависит от вида волокна. В пластиковом волокне для достижения РРМ требуется всего лишь несколько метров, в стеклянном волокне высокого качества - десятки километров.