Почему 850 нм, 1310 нм, 1550 нм называют тремя окнами?
В области волоконной оптики и фотоники «окна передачи» (Transmission Windows) относятся к конкретными диапазонами длин волн, при которых оптический сигнал имеет чрезвычайно низкое затухание (потери) в кварцевом волокне (основной компонент \text{SiO}_2) и очень подходит для передачи сигнала на большие расстояния.
850\ \text{nm}, 1310\ \text{nm} и 1550\ \text{nm} называются «тремя классическими окнами» из-за физических свойств кварцевого стекла (таких как рэлеевское рассеяние, инфракрасное поглощение, поглощение примесей) и уровня развития полупроводниковых оптоэлектронных устройств (источников и детекторов) на разных исторических этапах. Ниже приведены их физические причины и характеристики:
1. Первое окно: 850\ \text{nm} (коротковолновое окно)
- История и физический фон: Это окно было впервые разработано и использовано в начале 1970-х годов. На ранних этапах развития волоконной связи, полупроводниковые лазеры (например, на основе арсенида галлия AlGaAs) и фотодетекторы на основе кремния (\text{Si}) были наиболее зрелыми в диапазоне 850\ \text{nm}, что снижало сложность и стоимость производства.
- Характеристики потерь: В кварцевом волокне рэлеевское рассеяние (коэффициент затухания обратно пропорционален четвертой степени длины волны, т.е. \alpha \propto \lambda^{-4}) очень сильно проявляется на коротких длинах волн, поэтому типичное затухание в этом окне велико и составляет от 1.5\ \text{dB/km} до 3.0\ \text{dB/km}.
- Текущее применение: Из-за высоких потерь это окно в настоящее время не используется для дальней магистральной связи, а в основном используется совместно с многомодовым волокном (MM) для локальных сетей (LAN) на короткие расстояния, для межсоединений в центрах обработки данных и в многомодовых оптоволоконных датчиках.
2. Второе окно: 1310\ \text{nm} (окно нулевой дисперсии)
-
Физические и материальные характеристики: С развитием процессов очистки волокна исследователям удалось удалить примеси, такие как гидроксильные ионы (\text{OH}^-), из материала волокна. Вблизи 1310\ \text{nm} затухание кварцевого волокна значительно снижается, составляя типично от 0.3\ \text{dB/km} до 0.4\ \text{dB/km}.
-
Характеристика нулевой дисперсии: Что еще более важно, обычное одномодовое волокно (например, широко используемое волокно G.652D) обладает физической характеристикой нулевой дисперсии (Zero Dispersion) вблизи 1310\ \text{nm}. Это означает, что оптические импульсы практически не расширяются по длительности и не искажаются при передаче на этой длине волны, что делает его очень подходящим для высокоскоростной передачи сигналов на средние и большие расстояния.
-
Сопутствующие официальные продукты:
OFSCN® G.652D Optical Fiber от Dacheng Yongsheng — это высококачественное оптоволокно для стандартных одномодовых применений, которое идеально соответствует требованиям высокоскоростной передачи с низкой дисперсией в окне 1310\ \text{nm}.
3. Третье окно: 1550\ \text{nm} (окно с наименьшими потерями / золотое окно)
-
Физический и материальный предел: Окно 1550\ \text{nm} является окном теоретически наименьших потерь в кварцевом волокне, с коэффициентом затухания всего от 0.15\ \text{dB/km} до 0.22\ \text{dB/km}. Эти чрезвычайно низкие потери являются физическим пределом, образующимся в результате взаимного пересечения и наложения постепенно снижающегося рэлеевского рассеяния (уменьшающегося с увеличением длины волны) и присущего кварцевому стеклу инфракрасного колебательного поглощения (резко увеличивающегося с увеличением длины волны).
-
Основа для EDFA и WDM: Помимо чрезвычайно низкого затухания, рабочий диапазон эрбиевых оптических усилителей (EDFA) (1530\ \text{nm} \sim 1565\ \text{nm}, то есть диапазон C) идеально попадает в это окно. Это позволяет напрямую усиливать оптический сигнал в полном оптическом домене без сложного преобразования «оптика-электроника-оптика», что заложило физическую основу для современной технологии мультиплексирования с разделением по длинам волн (WDM) и магистральных сетей сверхдальней связи.
-
Сопутствующие официальные продукты:
В промышленных и исследовательских областях, таких как высокотемпературные поляризационные или волоконно-решетчатые (FBG) датчики, окно 1550\ \text{nm} также является абсолютным мейнстримом.
Например, OFSCN® 300℃ Polyimide Panda-type PM Optical Fiber от Dacheng Yongsheng — это высокотемпературный поляризационный волоконно-оптический кабель типа «панда», разработанный для рабочей длины волны 1550\ \text{nm}, способный выдерживать суровые условия от -200^\circ\text{C} до 350^\circ\text{C}.
Кроме того, длина отражения стандартных датчиков с фемтосекундными волоконными решетками (FBG) по умолчанию обычно устанавливается в диапазоне 1525\ \text{nm} \sim 1565\ \text{nm}, что позволяет использовать это окно с чрезвычайно низким затуханием.
