Затухание оптического сигнала

Затухание оптического сигнала — это физическое явление, заключающееся в уменьшении мощности (интенсивности) электромагнитного излучения оптического диапазона при его распространении по световоду (оптическому волокну) или в свободном пространстве. В технике волоконно-оптической связи затухание является одной из ключевых характеристик, определяющей максимальную длину безретрансляционного участка линии связи, и измеряется в децибелах на километр (дБ/км). Основными причинами затухания являются поглощение, рассеяние и, в меньшей степени, потери на изгибах волокна.

Природа и механизмы затухания

Затухание в оптическом волокне обусловлено фундаментальными физическими процессами, связанными с взаимодействием света с материалом световода, а также с несовершенствами его структуры.

Поглощение

Поглощение света в материале волокна (обычно кварцевое стекло SiO₂) делится на собственное (внутреннее) и примесное.

• Собственное поглощение связано с электронными переходами в ультрафиолетовой области спектра и колебательными переходами атомов решётки в инфракрасной области. В видимом и ближнем инфракрасном диапазонах (850–1650 нм), используемых для передачи сигнала, собственное поглощение невелико, но возрастает на краях спектрального окна.
• Примесное поглощение вызывается наличием посторонних ионов (например, переходных металлов Fe, Cu, Ni, Cr) и, в первую очередь, гидроксильных групп (OH⁻). Ионы OH⁻ имеют резонансные полосы поглощения на длинах волн около 950, 1240 и 1380 нм. В современных волокнах с низким содержанием воды (Low Water Peak) пик на 1380 нм практически устранён, что позволяет использовать весь диапазон от 1260 до 1625 нм.

Рассеяние

Рассеяние света — это отклонение части фотонов от первоначального направления распространения. Основными типами являются рэлеевское рассеяние и рассеяние на неоднородностях.

• Рэлеевское рассеяние — фундаментальный механизм, обусловленный флуктуациями плотности и состава стекла на микроскопическом уровне (размеры неоднородностей много меньше длины волны). Интенсивность рэлеевского рассеяния обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны (∝ 1/λ⁴). Это означает, что на более коротких волнах (например, 850 нм) затухание за счёт рассеяния значительно выше, чем на длинных (1550 нм). Рэлеевское рассеяние задаёт теоретический нижний предел затухания для кварцевого волокна.
• Рассеяние на неоднородностях (микроизгибы, дефекты границы сердцевина-оболочка, пузырьки газа) носит технологический характер и может быть минимизировано при качественном производстве.

Потери на изгибах

При изгибе волокна с радиусом меньше критического часть мод (направляемых лучей) перестаёт удерживаться в сердцевине и уходит в оболочку. Это явление называется потерями на макроизгибах. Микроизгибы (неровности поверхности волокна) также вызывают дополнительные потери, особенно в многомодовых волокнах.

Единицы измерения и закон Бугера — Ламберта — Бера

Затухание количественно описывается законом Бугера — Ламберта — Бера:

\[ P(L) = P_0 \cdot 10^{-(\alpha \cdot L)/10} \]

где:

• \( P(L) \) — мощность сигнала на расстоянии \( L \) от источника;
• \( P_0 \) — начальная мощность;
• \( \alpha \) — коэффициент затухания, дБ/км;
• \( L \) — длина линии, км.

На практике коэффициент затухания \( \alpha \) рассчитывается по формуле:

\[ \alpha = \frac{10}{L} \log_{10} \frac{P_0}{P(L)} \]

В современных одномодовых волокнах типовые значения коэффициента затухания составляют:

• 0,35–0,40 дБ/км на длине волны 1310 нм;
• 0,19–0,25 дБ/км на длине волны 1550 нм;
• 0,16–0,18 дБ/км на длине волны 1625 нм (в волокнах с ультранизкими потерями).

Классификация оптических волокон по затуханию

В зависимости от величины затухания и области применения выделяют несколько классов волокон:

• Стандартные одномодовые волокна (G.652) — наиболее распространённые, с типовым затуханием около 0,20 дБ/км на 1550 нм.
• Волокна с пониженным водяным пиком (G.652.D, Low Water Peak) — обеспечивают низкое затухание во всём диапазоне от 1260 до 1625 нм за счёт удаления OH⁻-групп.
• Волокна с ультранизкими потерями (Ultra-Low Loss, ULL) — затухание менее 0,17 дБ/км на 1550 нм. Используются в подводных и магистральных линиях большой протяжённости.
• Многомодовые волокна (OM1–OM5) — имеют более высокое затухание (от 0,8 до 3,5 дБ/км в зависимости от длины волны и типа), что ограничивает длину линий локальных сетей (до 300–550 м).

Влияние на системы связи

Затухание напрямую определяет энергетический бюджет линии связи — разность между мощностью передатчика и чувствительностью приёмника. Чем выше затухание, тем короче может быть безретрансляционный участок. Для компенсации затухания применяются:

• Оптические усилители (EDFA — эрбиевые, рамановские), которые усиливают сигнал без преобразования в электрическую форму.
• Регенераторы (ретрансляторы), которые преобразуют оптический сигнал в электрический, восстанавливают его форму и мощность, а затем снова преобразуют в оптический.
• Увеличение мощности передатчика (в пределах допустимых значений безопасности для глаза и волокна).

Измерение затухания

Измерение затухания является обязательной процедурой при монтаже, эксплуатации и ремонте волоконно-оптических линий связи. Основные методы:

• Метод вносимых потерь (Insertion Loss Method) — с помощью оптического тестера (источник + измеритель мощности) измеряется мощность на входе и выходе линии. Разница в дБм даёт общее затухание.
• Метод обратного рассеяния (OTDR — Optical Time Domain Reflectometer) — оптический рефлектометр посылает в волокно короткий импульс и регистрирует сигнал обратного рэлеевского рассеяния и отражений от неоднородностей (разъёмов, сварных соединений, трещин). По временной задержке определяется расстояние до дефекта, а по амплитуде — величина потерь на нём.

Пути снижения затухания

Совершенствование технологии производства позволяет снижать затухание за счёт:

• Уменьшения концентрации примесей (особенно OH⁻ и переходных металлов) — достигается использованием высокочистого сырья и методов химического осаждения из газовой фазы (MCVD, PCVD, VAD, OVD).
• Оптимизации профиля показателя преломления — для снижения потерь на изгибах и микроизгибах.
• Использования легирующих добавок (германий, фтор, фосфор) для создания требуемого профиля показателя преломления без значительного увеличения затухания.
• Применения специальных конструкций волокна (например, волокна с фотонно-кристаллической оболочкой), которые могут иметь теоретически более низкие потери.

Источники

1. Иванов А. Б. Волоконно-оптические линии связи. — М.: Радио и связь, 1995.
2. Скляров О. К. Волоконно-оптические сети и системы связи. — СПб.: Лань, 2010.
3. G. Keiser. Optical Fiber Communications. — 5th ed. — McGraw-Hill, 2015.
4. Рекомендация ITU-T G.652 (Характеристики одномодового оптического волокна).
5. Агравал Г. П. Нелинейная волоконная оптика. — М.: Мир, 1996.