Потери в волоконно-оптических кабелях: анализ дефектов и механизмов

На рисунке 10.13 представлена классификация ключевых источников оптических потерь, возникновение которых непосредственно связано с внутренними и внешними дефектами структуры волоконно-оптического кабеля. Эти дефекты нарушают принцип полного внутреннего отражения, являющийся основой передачи световых сигналов. Понимание природы этих недостатков критически важно для производства высококачественных оптических волокон и минимизации затухания сигнала. Каждый тип дефекта вносит свой вклад в общее ослабление мощности оптического излучения.

Рис. 10.13. Потери, вызванные собственными дефектами стекловолокна

Данная иллюстрация наглядно демонстрирует основные категории дефектов, приводящих к нежелательным энергетическим потерям в световодной системе. Визуализация позволяет идентифицировать такие проблемы, как поверхностные повреждения, загрязнения и посторонние включения в материале сердцевины. Анализ подобных схем является фундаментальным этапом в процессе диагностики и устранения причин деградации сигнала.

Одним из наиболее очевидных источников потерь являются механические повреждения поверхности оптического волокна, лишенного защитной оболочки. К таким повреждениям относятся микроскопические надрезы, царапины и сколы, которые нарушают геометрическую целостность границы раздела сред. Эти дефекты формируют участки с нарушенными условиями полного внутреннего отражения, что позволяет части светового потока покинуть пределы светопроводящей среды. В результате энергия излучения рассеивается в окружающее пространство, напрямую снижая эффективность передачи.

Существенное влияние на показатели затухания оказывают также различные поверхностные загрязнения. На незащищенном оптическом волокне часто присутствуют следы смазочных материалов, масел или других химических соединений, остающихся после производственного процесса или в ходе монтажа. Эти загрязнения формируют на поверхности волокна локальные области, показатель преломления которых может существенно отличаться от аналогичного параметра сердцевины. Разница в коэффициенте преломления приводит к отклонению траектории движения световых лучей от расчетной и их выходу из волокна.

Особенно критичной ситуация становится в случаях, когда показатель преломления загрязняющего вещества оказывается близким к значению коэффициента преломления материала стекловолокна. В такой конфигурации загрязненные участки начинают функционировать как полноценные, но неконтролируемые волноводы. Это означает, что световой пучок может беспрепятственно проходить через зону загрязнения, однако его дальнейшая траектория становится непредсказуемой, что в большинстве случаев приводит к утечке излучения наружу. Данный механизм потерь сложно диагностировать, так как визуально область загрязнения может быть малозаметна.

Помимо поверхностных дефектов, значительную опасность представляют объемные неоднородности в материале самой сердцевины. К ним относятся посторонние микроскопические включения, пузырьки воздуха или локальные пустоты, возникающие на стадии синтеза заготовки или вытягивания волокна. Подобные дефекты являются неотъемлемой частью технологии производства и могут влиять как на волокно с оболочкой, так и без нее. При столкновении с такой неоднородностью световой луч подвергается интенсивному рассеянию.

Механизм рассеяния на объемных включениях приводит к перераспределению энергии светового пучка во всех возможных направлениях. Это явление известно в оптике как диффузное рассеяние. Подавляющая часть рассеянного излучения не возвращается в основной световой поток и безвозвратно теряется, внося вклад в общее затухание сигнала. Лишь незначительная доля фотонов может интерферировать с основным излучением, однако их конструктивное воздействие обычно нивелируется деструктивной интерференцией других лучей.

Следовательно, основным следствием присутствия в волокне любых дефектов является необратимая потеря мощности передаваемого оптического сигнала. Большая часть излучения, рассеянного на посторонних включениях и неоднородностях, вычитается из основного светового потока, оказывая на него деструктивное воздействие. Хотя теоретически возможны случаи сложения рассеянных лучей с основным лучом, их статистическая значимость крайне мала. Таким образом, доминирующим результатом является ослабление сигнала, что напрямую снижает максимальную дальность передачи и пропускную способность всей волоконно-оптической системы связи.

Для минимизации описанных потерь современные технологии производства предъявляют чрезвычайно высокие требования к чистоте исходных материалов и условиям изготовления оптических волокон. Процессы синтеза стекла, вытяжки волокна и нанесения защитных полимерных покрытий строго контролируются. Использование многослойных буферных оболочек позволяет эффективно экранировать сердцевину от механических повреждений и внешних загрязнений, сохраняя высокие оптические характеристики кабеля на протяжении всего срока его службы.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.