Поглинання в оптичних волокнах

Нагадаємо, що стан квантової системи в енергетичному відношенні характеризується енергетичними рівнями та описується виразом:

(1.3.1)

де – густина енергії випромінювання на частоті в одиничному інтервалі частот, – імовірність квантового переходу із стану 1 в стан 2 (1 2), – кількість електронів на рівні 1, – коефіцієнт або імовірність спонтанного випромінювання (випадкового переходу) електронів з рівня 2 на рівень 1 (2 1), – коефіцієнт стимульованого або вимушеного випромінювання, – кількість (населеність) електронів на рівні 2.

Ліва частина виразу характеризує поглинання системи і перехід електронів на вищий рівень 2. Права – випромінювання (перехід електронів з рівня 2 на рівень 1).

Аналіз виразу (1) показує, що система може знаходитися в трьох станах (рис. 1.3.1)

Стан (а) кількість електронів на нижньому рівні (у не збудженому стані) більша ніж на рівні . В цьому випадку . Система знаходиться в стійкому стані і є поглинаючою. Вона може лише поглинати фотони. При цьому найбільш інтенсивно поглинаються фотони, частота яких збігається з частотою переходу . Другий стан (b) – стан, при якому приблизно дорівнює . також дорівнює нулю, а імовірності переходів з рівня 1 на рівень 2 та навпаки приблизно однакові. Система в такому стані є нейтральною по відношенню до падаючого випромінювання (природно до певної межі), тобто прозорою. Для багатьох речовин, зокрема для чистого кварцу, така система є стійкою. Саме цим пояснюється висока прозорість оптичних волокон.

Більшість пристроїв волоконної оптики використовують освітлювачі, які працюють на довжинах хвиль 0.85, 1.31, 1.55 мкм. Саме на цих довжинах спостерігаються “вікна прозорості” скла.

Відповідно оптичні волокна оптимізовані по поглинанню саме для цих довжин хвиль.

Загальні втрати, як відомо, складаються не тільки з поглинання, але саме вони складають основну частину втрат в оптичних волокнах.

У сучасних волокнах досягаються досить високі параметри по поглинанню. Наприклад, для багатомодового волокна 50/125 на довжині хвилі 0.85 мкм спостерігаються втрати приблизно 3 дБ/км. Для того ж волокна на довжині хвилі 1.31 мкм втрати не перевищують 1 дБ/км.

В одномодовом стандартному волокні SF(з ступінчастим розподілом показника заломленням). Стандартна крива затухання для такого волокна наведена на рисунку 1.3.2. Для стандартного волокна одномодовий режим реалізується для довжин хвиль 1.31 і 1.55 мкм та досягнуті такі параметри:

1.31 мкм – 0.3-0.4 дБ/км;

1.55 мкм – 0.2-0.25 дБ/км.

Проте незважаючи на те, що на другій довжині хвилі поглинання менше, частіше використовується перша довжина хвилі, оскільки саме в околі цієї хвилі відсутня хроматична дисперсія.