1.3.1. Поглинання в оптичних волокнах

Нагадаємо, що стан квантової системи в енергетичному відношенні характеризується енергетичними рівнями та описується виразом:

(1.3.1)

д е – густина енергії випромінювання на частоті в одиничному інтервалі частот, – імовірність квантового переходу із стану 1 в стан 2 (1 2), – кількість електронів на рівні 1, – коефіцієнт або імовірність спонтанного випромінювання (випадкового переходу) електронів з рівня 2 на рівень 1 (2 1), – коефіцієнт стимульованого або вимушеного випромінювання, – кількість (населеність) електронів на рівні 2.

Ліва частина виразу характеризує поглинання системи і перехід електронів на вищий рівень 2. Права – випромінювання (перехід електронів з рівня 2 на рівень 1).

А

Рис. 1.3.1. Схема квантових станів речовини.

a) – поглинаюче середовище, b) – рівноважне або нейтральне середовище c) – випромінююче середовище.

Стан (а) кількість електронів на нижньому рівні (у не збудженому стані) більша ніж на рівні . В цьому випадку . Система знаходиться в стійкому стані і є поглинаючою. Вона може лише поглинати фотони. При цьому найбільш інтенсивно поглинаються фотони, частота яких збігається з частотою переходу . Другий стан (b) – стан, при якому приблизно дорівнює . також дорівнює нулю, а імовірності переходів з рівня 1 на рівень 2 та навпаки приблизно однакові. Система в такому стані є нейтральною по відношенню до падаючого випромінювання (природно до певної межі), тобто прозорою. Для багатьох речовин, зокрема для чистого кварцу, така система є стійкою. Саме цим пояснюється висока прозорість оптичних волокон.

Більшість пристроїв волоконної оптики використовують освітлювачі, які працюють на довжинах хвиль 0.85, 1.31, 1.55 мкм. Саме на цих довжинах спостерігаються “вікна прозорості” скла.

Відповідно оптичні волокна оптимізовані по поглинанню саме для цих довжин хвиль.

Загальні втрати, як відомо, складаються не тільки з поглинання, але саме вони складають основну частину втрат в оптичних волокнах.

У сучасних волокнах досягаються досить високі параметри по поглинанню. Наприклад, для багатомодового волокна 50/125 на довжині хвилі 0.85 мкм спостерігаються втрати приблизно 3 дБ/км. Для того ж волокна на довжині хвилі 1.31 мкм втрати не перевищують 1 дБ/км.

В одномодовом стандартному волокні SF (з ступінчастим розподілом показника заломленням). Стандартна крива затухання для такого волокна наведена на рисунку 1.3.2. Для стандартного волокна одномодовий режим реалізується для довжин хвиль 1.31 і 1.55 мкм та досягнуті такі параметри:

1.31 мкм – 0.3-0.4 дБ/км;

1.55 мкм – 0.2-0.25 дБ/км.

П

Рис. 1.3.2

Одномодове волокно з зміщеною дисперсією DSF

Для того, щоб оптимізувати одномодове волокно по поглинанню завдяки підбору профілю показника заломлення, зміщують точку нульової дисперсії в область довжини хвилі 1.55 мкм. За допомогою таких волокон можуть бути реалізовані ділянки передачі сигналу без ретрансляційних пристроїв довжиною до 100 км.

Одномодове волокно з зміщеною ненульовою дисперсією NZSDF

На відміну від DSF-волокна це волокно оптимізоване для декількох довжин хвиль.

Такі волокна виготовляють шляхом створення депресивного кільця в оптичній оболонці. Ці волокна називають ще одномодовими волокнами з згладженою (вирівняною) дисперсією. Дисперсія таких волокон приблизно та сама, як і у стандартного волокна з ступінчастим профілем для довжини хвилі 1.31 мкм. Проте з збільшенням довжини хвилі хвости хвиль проникають у депресивне кільце із більшим показником заломлення. Відповідно збільшується загальна швидкість розповсюдження хвилі вздовж хвилеводу. При цьому відомо, що для більшої довжини хвилі показник заломлення середовища менший ніж для хвиль з меншою довжиною. Це явище, як відомо, має назву звичайної дисперсії або “матеріальної” дисперсії. Отже, “хвильова” дисперсія (проникнення хвилі в шар світловоду з більш високим показником заломлення) компенсує “матеріальну” дисперсію. Внаслідок цього константи розповсюдження всіх коливань з різною довжиною хвилі залишаються приблизно однаковими, тобто створюється можливість передавати сигнали з декількома довжинами хвиль (мультиплексний хвильовий сигнал).