Окна прозрачности оптического волокна: почему свет летит на сотни километров

Одной из ключевых причин, позволивших оптоволокну совершить революцию в связи, является уникальное свойство стекла — прозрачность на определенных длинах волн. Однако эта прозрачность не равномерна по всему спектру. Она проявляется в виде так называемых «окон прозрачности» — диапазонов длин волн, в которых затухание сигнала в волокне минимально. Именно в этих «окнах» и работает вся волоконно-оптическая связь.

1. Что такое затухание и от чего оно зависит?

Затухание — это ослабление оптической мощности сигнала при его распространении по волокну. Измеряется в децибелах на километр (дБ/км). На него влияют три фундаментальных фактора:

1. Поглощение (Absorption): Превращение энергии света в тепловую энергию из-за примесей в стекле (например, ионов OH⁻) и собственных колебаний атомарной структуры стекла (SiO₂).

2. Рэлеевское рассеяние (Rayleigh Scattering): Рассеяние света на микроскопических неоднородностях плотности стекла, неизбежных при его производстве. Это основной фактор в ближнем инфракрасном диапазоне. Его влияние обратно пропорционально четвертой степени длины волны (λ⁴). Это значит, что на более длинных волнах (1550 нм) рассеяние значительно меньше, чем на коротких (850 нм).

3. Изгибы и микроизгибы (Bending & Microbending): Потери, вызванные физической деформацией волокна.

Совокупное действие этих факторов создает на графике зависимости затухания от длины волны характерные «впадины» — это и есть окна прозрачности.

2. Основные окна прозрачности

Первое окно (Окно 850 нм)

• Диапазон: ~800–900 нм.

• Затухание: ~2.5 – 3.5 дБ/км (наивысшее среди основных окон).

• Источники света: Светодиоды (LED), вертикальные лазеры с поверхностным излучением (VCSEL).

• Применение: Короткие дистанции в многомодовых волокнах (MMF). Это основное окно для локальных сетей (LAN) внутри зданий и центров обработки данных (ЦОД) длиной до нескольких сотен метров.

Второе окно (Окно 1300 нм)

• Диапазон: ~1260 – 1360 нм (также известно как O-диапазон, Original).

• Затухание: ~0.3 – 0.5 дБ/км (значительно ниже, чем у первого окна).

• Причина: Влияние рэлеевского рассеяния здесь уже намного меньше благодаря зависимости λ⁻⁴.

• Источники света: Лазерные диоды.

• Применение: Используется как в многомодовых, так и в одномодовых волокнах (SMF). На 1310 нм работает значительная часть магистралей доступа (например, PON-системы). Здесь наблюдается нулевая дисперсия в стандартном одномодовом волокне (SMF), что позволяет достигать высоких скоростей без искажения импульса.

Третье окно (Окно 1550 нм)

• Диапазон: ~1460 – 1625 нм (охватывает S-, C- и L-диапазоны).

• Затухание: Минимальное (~0.2 дБ/км). Абсолютный минимум (~0.16 дБ/км) достигается на длине волны 1550 нм.

• Причина: Эффект рэлеевского рассеяния здесь минимален.

• Источники света: Высокостабильные лазеры, перестраиваемые лазеры.

• Применение: Основное окно для дальней связи в одномодовых волокнах. Именно в этом окне, особенно в C-диапазоне (Conventional, 1530–1565 нм), работает технология плотного волнового мультиплексирования (DWDM), позволяющая одновременно передавать сотни каналов по одному волокну. Это окно также используется для работы оптических усилителей (EDFA).

3. Современная расширенная классификация: ITU-T Grid

С развитием DWDM третье окно было детально поделено на более узкие диапазоны, стандартизированные Международным союзом электросвязи (ITU-T):

Примечание о «водяном пике»: Исторически область E-диапазона (1383 нм) была непригодна из-за высокого поглощения ионами гидроксильной группы (OH⁻). Современное волокно с низким содержанием OH⁻ (такое как G.652.D) позволяет нивелировать этот эффект и использовать E-диапазон, что особенно актуально для систем CWDM.

4. Практическое значение

Выбор рабочего окна — это всегда компромисс:

• 850 нм: Дешевое оборудование, но высокое затухание → для коротких линий в многомоде.

• 1310 нм: Низкая дисперсия, среднее затухание → для средних дистанций в одномоде (городские сети, FTTx).

• 1550 нм: Минимальное затухание → для сверхдлинных магистралей и DWDM.

5. Заключение

Окна прозрачности — это не абстрактное понятие, а основа проектирования任何 волоконно-оптической системы. Инженеры выбирают длину волны, исходя из требуемой дальности, скорости и бюджета. Эволюция от первого к третьему окну — это история о том, как человечество научилось обходить физические ограничения материалов, чтобы заставить свет преодолевать океаны и передавать невообразимые объемы информации.