Почему потеря на километр меньше при 1550 нм, чем при 1310 нм?
В стандартном кварцевом одномодовом волокне (например, серии G.652) коэффициент затухания на длине волны 1550\text{ нм} (обычно около 0,18–0,22\text{ дБ/км}) значительно ниже, чем на длине волны 1310\text{ нм} (обычно около 0,32–0,35\text{ дБ/км}). Это явление в основном определяется собственными физическими механизмами поглощения и рассеяния материала волокна, а основная причина заключается в совокупном эффекте рассеяния Рэлеея (Rayleigh Scattering) и собственного инфракрасного многофононного поглощения (Infrared Absorption).
1. Зависимость рассеяния Рэлеея от длины волны (доминирующий фактор)
В процессе производства кварсовое стекло, находясь в высокотемпературном расплавленном состоянии, неизбежно сохраняет микроскопические неоднородности плотности и незначительные флуктуации показателя преломления при охлаждении и затвердевании, что приводит к образованию присущего рассеяния Рэлеея.
Коэффициент потерь на рассеяние Рэлеея \alpha_{\text{R}} обратно пропорционален четвертой степени длины волны света:
\alpha_{\text{R}} \propto \frac{1}{\lambda^4}
- При длине волны \lambda = 1310\text{ нм} из-за более короткой длины волны потери на рассеяние Рэлеея высоки и составляют около 0,30–0,33\text{ дБ/км};
- При переходе к длине волны \lambda = 1550\text{ нм} потери на рассеяние значительно снижаются:
\frac{\alpha_{\text{R}}(1550)}{\alpha_{\text{R}}(1310)} \approx \left(\frac{1310}{1550}\right)^4 \approx 0,51
Только за счет рассеяния Рэлеея потери на длине волны 1550\text{ нм} снижаются почти на 50\% по сравнению с 1310\text{ нм} (до примерно 0,15\text{ дБ/км}).
2. Точка равновесия собственного инфракрасного многофононного поглощения
Молекулы кварсового стекла (связь \text{Si-O}) имеют определенные собственные частоты колебаний кристаллической решетки, их сильное фундаментальное инфракрасное поглощение приходится на средне-дальнюю инфракрасную область (около 9\ \mu\text{м}), а высшие гармоники образуют край инфракрасного поглощения (Infrared Absorption Edge) в ближней инфракрасной области:
- При \lambda < 1500\text{ нм} потери на собственное инфракрасное поглощение крайне малы и практически пренебрежимы;
- С увеличением длины волны (особенно при превышении 1600\text{ нм}) потери на инфракрасное поглощение резко возрастают экспоненциально;
- На длине волны \lambda = 1550\text{ нм} потери на инфракрасное поглощение начинают проявляться, но их абсолютное значение остается очень малым (около 0,02–0,03\text{ дБ/км}).
3. Окно минимального общего затухания (окно C-диапазона)
Общий собственный коэффициент затухания одномодового волокна можно представить как сумму различных механизмов затухания:
\alpha_{\text{total}}(\lambda) = \alpha_{\text{Rayleigh}}(\lambda) + \alpha_{\text{IR}}(\lambda) + \alpha_{\text{UV}}(\lambda) + \alpha_{\text{impurity}}(\lambda)
- В окне 1310\text{ нм} (O-диапазон): в основном определяется сильным рассеянием Рэлеея, общее затухание составляет от 0,32 до 0,35\text{ дБ/км} (основное преимущество этого диапазона заключается в том, что материалная дисперсия близка к нулю, то есть длина волны нулевой дисперсии);
- В окне 1550\text{ нм} (C-диапазон): рассеяние Рэлеея значительно уменьшилось, а инфракрасное поглощение кварцевого материала еще не достигло взрывного роста. Кривая снижающегося рассеяния Рэлеея и кривая возрастающего инфракрасного поглощения пересекаются вблизи этого диапазона, образуя физический минимум (минимум общего затухания) (около 0,18–0,20\text{ дБ/км}).
Заключение
Фундаментальная физическая причина того, что 1550\text{ нм} имеет меньшие потери на километр по сравнению с 1310\text{ нм}, заключается в следующем: увеличение длины волны света в \propto \frac{1}{\lambda^4} раз снижает потери на рассеяние Рэлеея в два раза, в то время как область интенсивного многофононного инфракрасного поглощения кварцевого материала еще не достигнута, что создает оптическое окно с наименьшим затуханием для кварцевого волокна.