Почему волоконно-оптическая связь и датчики всегда работают в диапазонах 1310 нм или 1550 нм? Неужели другие длины волн не подходят?
Большинство оптоволоконных систем связи и датчиков работают на длинах волн 1310\text{ нм} или 1550\text{ нм}} не из-за субъективных предпочтений, а в силу физического выбора, определяемого физическими свойствами диоксида кремния (SiO_2), механизмами рассеяния и поглощения света, а также развитием сопутствующих оптоэлектронных компонентов. Это то, что обычно называют «окнами передачи» (Transmission Windows) оптоволокна.
Чтобы ясно понять это физическое явление, мы можем разбить его на следующие аспекты:
I. Механизмы потерь света в оптоволокне из диоксида кремния
При распространении света в стандартном кварцевом волокне происходит затухание энергии из-за различных физических эффектов. Общие потери в основном определяются следующими тремя компонентами:
-
Рэлеевское рассеяние (Rayleigh Scattering)
Из-за микроскопической неоднородности плотности молекул аморфного диоксида кремния внутри волокна свет рассеивается при распространении. Интенсивность потерь от рэлеевского рассеяния обратно пропорциональна 4-й степени длины волны:\text{Loss}_{\text{Rayleigh}} \propto \frac{1}{\lambda^4}В диапазоне коротких длин волн видимого и ультрафиолетового света (например, 400\text{ нм} \sim 700\text{ нм}} ) рэлеевское рассеяние чрезвычайно интенсивно. Поэтому, хотя красный свет (около 650\text{ нм}} ) может использоваться в ручках-указках для поиска обрывов оптоволокна на короткие расстояния, он совершенно непригоден для дальней связи или точных измерений.
-
Инфракрасное поглощение (Infrared Absorption)
В молекулах диоксида кремния существуют резонансы решетки и колебания молекулярных связей. При длинах волн выше 1.6\ \mu\text{m}} (то есть выше 1600\text{ нм}} ) инфракрасное поглощение, вызванное колебаниями молекулярных связей, резко возрастает, и потери быстро увеличиваются. Это определяет верхний предел инфракрасного диапазона для передачи с низкими потерями в кварцевом волокне. -
Поглощение примесей — «водяной пик» (Hydroxyl-ion Absorption)
В процессе производства оптоволокна чрезвычайно сложно полностью исключить водяной пар, поэтому в волокне остается небольшое количество гидроксильных ионов (OH^- ). Эти группы OH^- вызывают сильные пики резонансного поглощения на определенных длинах волн, наиболее типичным из которых является «водяной пик» около 1383\text{ нм}} .
Эти физические закономерности, наложенные друг на друга, формируют на спектре потерь кварцевого волокна несколько специфических «зон низких потерь», которые и являются окнами для оптоволоконной связи.
II. Рождение трех основных «окон»
На основе вышеуказанных физических механизмов были разработаны три классических окна:
1. Первое окно (около 850\text{ нм}} )
- Характеристики: Находится в коротковолновом диапазоне, подвержено сильному рэлеевскому рассеянию, потери относительно высоки (около 2 \sim 3\text{ дБ/км}} ).
- Применение: В ранние годы, из-за ограничений в производстве полупроводниковых лазеров (в основном GaAs) и фотодетекторов, этот диапазон был предпочтительным. В настоящее время этот диапазон в основном используется в сочетании с многомодовым оптоволокном для локальных сетей на короткие расстояния или экономичных систем оптоволоконной передачи.
2. Второе окно (около 1310\text{ нм}} , диапазон O)
- Характеристики:
- Избегает сильного рэлеевского рассеяния, потери значительно снижаются до примерно 0.3 \sim 0.4\text{ дБ/км}} .
- Что чрезвычайно важно, для стандартного одномодового волокна 1310\text{ нм}} является точкой нулевой дисперсии (длиной волны нулевой дисперсии). В этом диапазоне, поскольку дисперсия (компенсация материальной и волноводной дисперсии) практически равна нулю, оптический импульсный сигнал не расширяется и не искажается при дальней передаче, обеспечивая очень высокую полосу пропускания сигнала.
- Типичный продукт: OFSCN® G.652D Optical Fiber является классическим одномодовым оптоволокном.
3. Третье окно (около 1550\text{ нм}} , диапазон C)
- Характеристики:
- Минимальные потери: В этом диапазоне потери от рэлеевского рассеяния очень низки, а потери от инфракрасного поглощения еще не значительно возросли. Потери достигают теоретического физического предела для кварцевого оптоволокна, обычно до 0.18 \sim 0.22\text{ дБ/км}} . Это делает его естественным выбором для дальней связи и точных измерений.
- Совместимость с усилителями EDFA: Известные усилители на основе эрбия (EDFA) работают в диапазоне 1530 \sim 1565\text{ нм}} (диапазон C). Это позволяет оптическому сигналу напрямую усиливаться в оптическом режиме без сложного преобразования «оптика-электрика-оптика», закладывая основу для современных магистральных, городских сетей и плотного спектрального разделения каналов (DWDM).
- Оптические датчики (например, FBG): Подавляющее большинство датчиков на основе волоконных брэгговских решеток (FBG) и распределенных систем оптических датчиков используют этот диапазон. Например, OFSCN® Polyacrylate Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) и OFSCN® Thin-Diameter Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) по умолчанию разработаны для работы в обычном диапазоне C (1525 \sim 1565\text{ нм}} ).
III. Действительно ли другие длины волн нельзя использовать?
Ответ: Не то чтобы их нельзя было использовать абсолютно, но требуется целенаправленная разработка для конкретных материалов оптоволокна или инженерных требований.
-
Расширение «полноспектрального» или «бес"водяного пика» оптоволокна
Традиционное оптоволокно G.652.A/B имеет большой «водяной пик» в районе 1383\text{ нм}} . Однако с совершенствованием процессов очистки оптоволокна были созданы одномодовые оптоволокна с чрезвычайно низким или отсутствующим «водяным пиком» (например, OFSCN® G.652D Optical Fiber ). Это позволяет непрерывно использовать весь широкий диапазон от 1260\text{ нм}} до 1625\text{ нм}} (включая диапазоны O, E, S, C, L, U и т. д.). -
Поддержка многоспектральных длин волн оптоволокном с большим сердечником и широким спектром
В некоторых особых сценариях датчиков, где основной целью не является «дальняя передача с низкими потерями», а требуется многоспектральное физическое измерение, химический спектральный анализ или передача мощного лазерного излучения, обычно используется оптоволокно с большим сердечником, работающее в широком диапазоне длин волн. Например, OFSCN® Polyimide Large-Core Optical Fiber имеет чрезвычайно широкий диапазон рабочих длин волн, поддерживая от 200\text{ нм}} до 2400\text{ нм}} .
-
Пластиковое оптоволокно (POF)
Если используется оптоволокно на основе полимерных пластиков, таких как PMMA, его спектр потерь материала существенно отличается от диоксида кремния. Обычно оно работает в видимом диапазоне (например, около зеленого света 520\text{ нм}} , красного света 650\text{ нм}} ), однако его потери очень велики, и оно может использоваться только в системах с чрезвычайно коротким расстоянием от нескольких метров до десятков метров.
Резюме
Предпочтение диапазонов 1310\text{ нм}} и 1550\text{ нм}} в системах связи и датчиков является наиболее экономически выгодным и эффективным «физическим окном», развившимся в результате сочетания сверхнизких потерь в среде диоксида кремния, нулевой дисперсии одномодового волокна, а также зрелой экосистемы полупроводниковых лазеров и усилителей EDFA.