ющее наилучшее соответствие с результатами эксперимента в ограниченной области спектра, весьма удаленной от предполагаемых резонансов. Степень соответствия слабо зависит от используемых точных значений Х н, следовательно уравнение (2.2.32) не является корректным для оценки резонансных частот; 2) аппроксимируемые формулой Селмейера данные представлены в виде трех слагаемых, тогда как в действительности имеется мнрго резонансов, влияние которых на дисперсию суммируется указанным образом. Следовательно, величины Х представляют собой некоторые грубые усредненные значения резонансных длин волн. Здесь можно также отметить, что коэффициент поглощения на резонансной длине волны для Si - О равен 10 дБ/мкм!

Край полосы поглощения играет важную роль в материалах, используемых для изготовления оптических волокон. Однако эти материалы могут также содержать атомы и молекулы примесей, которые способны вызвать поглощение на интересующих нас длинах волн. На практике установлено, что самыми вредными примесями являются пары воды и переходные металлы первой группы (ванадий, хром, магний, железо, кобальт и никель). В стекле металлы присутствуют в виде ионов, которые благодаря своей электронной структуре вызывают широкополосное поглощение на длинах волн, значения которых могут зависеть от степени окисления иона. Чтобы на длинах волн в области 1 мкм увеличение поглощения, обусловленное наличием указанных выше примесей, не превышало 1 дБ/км, концентрация примесей по самым скромным оценкам должна быть ниже 10-*.

Поглощение, вызываемое наличием паров воды, обусловлено основным периодом колебаний межатомной связи О - Н. Фундаментальная частота колебаний /о соответствует 2,73 мкм, однако она вызывает появление гармоник и комбинационных частот с изгибным резонансом связи Si - О на длине волны 12,5 мкм (частота fg). В табл. 3.1 приведены некоторые из этих полос поглощения. Большинство из них можно видеть на кривых поглощения, приведенных на рис. 3.22,

0, 0,6 0,8 1,0 7,2 /,4 7,6 1,t Длина волны, МММ

Рнс. 3.2. Влияние легирующих примесей на край инфракрасной полосы поглощения и потерн, обусловленные рэлеев-ским рассеянием. (Пики поглощения в области 1,4 и 1,25 мкм обусловлены остаточными парами воды.)

[Данные взяты нз статьи Н. Osanai at al. Effect of dopants on transmission loss of low-OH-content optical fibers. Ets. Lett. 12, 549-550 (14 Oct. 1976).!

Таблица 3.1. Полосы погяощеянн гндроксила ОН~

3.3 и 3.5. Имеет место значительная негармоничность, которая означает, что гармоники не точно кратны фундаментальной частоте. Пики поглощения могут быть довольно широкими и слегка асимметричными относительно длины волны, дающей относительно большие величины поглощения на более коротких волнах. Имеются также экспериментальные данные, которые указывают на то, что в боросили-катных стеклах эти пики поглощения шире, чем в других. Если присутствует примесь РгОд, то полосы поглощения усложняются за счет

Рис. 3.3. Характеристики •волокна с предельно низкими потерями. [Данные взяты из статьи Т. Miya et al. Ets. Lett. 15, 106- 108 (Feb. 1979).]

Кривые характеризуют экспериментально измеренные потери в одномодовом кварцевом волокне длиной 2,2 км, легированном германием и имеющим Д=0.0019. Они определяют также вклад различных источников потерь

Т,6 7,3 2,0 Л,мт

появления резонанса Р - ОН на длине волны 3,05 мкм, являющейся первой гармоникой между 1,5 и 1,6 мкм.

Концентрацию водяных паров от ЫО-*доЫО- можно считать достаточно малой и, следовательно, пренебречь ее влиянием для оптических волокон, предназначенных для диапазона длин волн 0,8... ... 0,9 мкм. Однако для волокон, разрабатываемых для окон в окрестности 1,2; 1,3 или 1,6 мкм, необходимо уменьшить концектрацию этой примеси до 1 • 10-* и менее. Достичь этого чрезвычайно трудно. На рнс. 3.3. воспроизведена экспериментальная кривая по: ного поглощения для одного из самых малопоглощающих волокон, производимых до 1980 г. На нем также показан вклад в потери, вюсимый различными процессами поглощения и рассеяния. Только когда примесное поглощение уменьшено до приведенных здесь уровней, только тогда другие источники потерь могут быть идентифицированы с достаточной степенью достоверности.

3.1.3. Рассеяние

По своей природе стекло является неупорядоченной структурой, в которой имеются микроскопические отклонения от средней плотности материала, а также локальные микроскопические изменения в составе. Каждое из указанных изменений приводит к флуктуациям показателя преломления, величина которых мала по сравнению с длиной волны оптического диапазона. Сказанное справедливо для любого стеклообразного материала, однако и при качественном изготовлении в нем наблюдается рассеяние света, известное как рэлеевское (см., например, § 2. 13.5), приводящее к потерям света в волокне В самом деле, если видимый лазерный свет ввести в свернутое в спираль длинное волокно, без защитной оболочки, то из-за рассеяния света эта спираль будет хорошо видна в темной комнате, причем интенсивность свечения будет уменьшаться с увеличением длины волокна.

Потери, обусловленные рэлеевским рассеянием, могут быть минимизированы путем возможно более тщательного контроля процесса охлаждения расплава, из которого затем будет вытягиваться волокно. Вероятно, эти потери будут больше в многокомпонентных стеклах из-за изменений в их составе. Характерная особенность данного явления состоит в том, что рассеиваемая мощность, а, следовательно, и потери обратно пропорциональны длине волны в четвертой степени. Из рис. 3.1 видно, что именно рэлеевское рассеяние, а не край полосы ультрафиолетового поглощения является основной причиной потерь в кварцевых оптических волокнах на длинах волн короче 1,5 мкм. Типичное значение потерь, обусловленных этим механизмом потерь.

Некоторая часть света может распространяться в обратном направлении. Измерение этого эффекта является полезным способом оценки потерь в волокне. Однако это рассеяние света существенно ограничивает возможности передачи сигналов в обоих направлениях.