光纖的損耗特性

第二章光纖的損耗特性1光纖的特性較多，可以歸納如下：光纖特性傳輸特性光學(xué)特性幾何尺寸機(jī)械特性溫度特性損耗色散折射率分布數(shù)值孔徑芯徑外徑偏心度橢圓度2其中最基本的是傳輸特性，傳輸特性包括損耗特性和色散特性，本節(jié)主要介紹光纖的損耗特性。3一、光纖的損耗特性(衰減)二、吸收損耗三、散射損耗四、其它損耗五、光纖的損耗特性曲線光纖的損耗特性4光纖通信是隨著光纖損耗的不斷降低而發(fā)展起來的。光纖損耗是決定光纖通信中繼距離的主要因素之一。造成光纖損耗的原因很多，其損耗機(jī)理也非常復(fù)雜，接下來就以石英光纖為例分別討論各原因引起的情況。5一、光纖的損耗特性(衰減)衰減是光纖的一個(gè)重要的傳輸參數(shù)。它表明了光纖對光能的傳輸損耗，其對光纖質(zhì)量的評定和對光纖通信系統(tǒng)的中繼距離的確定都起著十分重要的作用。6一、光纖的損耗特性(衰減)(1)衰減光在光纖中傳播時(shí)，平均光功率沿光纖長度按照指數(shù)規(guī)律減少，即：式中：P(0)—在L=0處注入光纖的光功率； P(L)—傳輸?shù)捷S向距離L處的光功率。()1010)0()(LPLP-a=7一、光纖的損耗特性(衰減)(2)衰減系數(shù)衰減系數(shù)α，則定義為單位長度光纖引起的光功率衰減。當(dāng)長度為L時(shí)(dB/km)式中：α(λ)—在波長為λ處的衰減系數(shù)與波長的函數(shù)關(guān)系，其數(shù)值與選擇的光纖長度無關(guān)。()()()0lg10PLPLa-=l8一、光纖的損耗特性(衰減)引起光纖的損耗有很多因素。歸納起來，光纖的損耗大致可分為吸收損耗、散射損耗和其它損耗。9二、吸收損耗吸收損耗，就是由于組成光纖的材料及其中的雜質(zhì)(過渡金屬雜質(zhì)和氫氧根OH-離子等)對光波的吸收，使一部分光能轉(zhuǎn)變?yōu)樯⑹У臒崮埽瑥亩斐晒夤β实膿p失。吸收損耗包括本征吸收損耗、雜質(zhì)吸收損耗和原子缺陷吸收損耗三部分。10它表明了光纖對光能的傳輸損耗，其對光纖質(zhì)量的評定和對光纖通信系統(tǒng)的中繼距離的確定都起著十分重要的作用。式中：P(0)—在L=0處注入光纖的光功率；光纖制造過程中，由于工藝、技術(shù)問題以及一些隨機(jī)因素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等，這些結(jié)構(gòu)上不完善處的尺寸遠(yuǎn)大于光波波長，引起與波長無關(guān)的散射損耗。對于石英玻璃光纖本征吸收在光學(xué)波長及其附近有兩種基本的吸收方式。由于光纖材料本身原子之間的化學(xué)鍵形成晶格振動，當(dāng)光纖中傳播的光波與晶格相互作用時(shí)，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，因而引起損耗。光纖損耗的最小曲率半徑為：3、非線性效應(yīng)散射損耗另一種吸收稱為紅外吸收。光纖材料中的雜質(zhì)大致可分為兩類，即過渡金屬離子和氫氧根OH-離子。造成光纖損耗的原因很多，其損耗機(jī)理也非常復(fù)雜，接下來就以石英光纖為例分別討論各原因引起的情況。作為總結(jié)，我們來看看SiO2光纖損耗的波譜圖，如圖所示，它比較全面地表達(dá)了各種損耗特性。瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成了光纖損耗的極限值。2dB/km的范圍之內(nèi)。光纖的特性較多，可以歸納如下：光纖通信波段三個(gè)吸收峰（μm）：0.若仍能發(fā)生全反射，則將變?yōu)楦唠A模，損耗增大。2、雜質(zhì)吸收損耗通常軸向錯(cuò)位引起的損耗不太大，而橫向錯(cuò)位和彎折引起的損耗較大。另一種吸收稱為紅外吸收。吸收峰在8－12μm之間，對短波長不引起損耗，λ>1.16μm附近，吸收損耗曲線已經(jīng)延伸到光纖通信波段。至此，我們已經(jīng)介紹了引起光纖損耗的幾個(gè)主要因素，光纖損耗是這些因素影響的總的反映。2dB/km的范圍之內(nèi)。五、光纖的損耗特性曲線2dB/km的范圍之內(nèi)。2、光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗(波導(dǎo)散射損耗)16μm附近，吸收損耗曲線已經(jīng)延伸到光纖通信波段。吸收峰在8－12μm之間，對短波長不引起損耗，λ>1.第二章光纖與光纜§4光纖的損耗特性1、本征吸收損耗二、吸收損耗1、本征吸收損耗本征吸收即光纖材料自身的固有吸收。在不含任何雜質(zhì)的純凈材料中也存在這種吸收損耗。不同的光纖材料，對光的吸收作用也不同，其主要取決于材料的原子結(jié)構(gòu)，即使是同一種光纖材料，對于不同波長的光波，其吸收作用也不同。11二、吸收損耗1、本征吸收損耗對于石英玻璃光纖，本征吸收在光學(xué)波長及其附近有兩種基本的吸收方式。一個(gè)是紫外吸收，另一個(gè)是紅外吸收。如下圖所示。12SiO2光纖的損耗-波譜曲線13二、吸收損耗1、本征吸收損耗對于石英玻璃光纖本征吸收在光學(xué)波長及其附近有兩種基本的吸收方式。一個(gè)是紫外吸收，另一個(gè)是紅外吸收。紫外吸收是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子激發(fā)到高能級時(shí)，光子流中的能量將被電子吸收，因而引起損耗。又被稱為電子躍遷吸收損耗。吸收峰在0.16μm附近，吸收損耗曲線已經(jīng)延伸到光纖通信波段。142dB/km的范圍之內(nèi)。一、光纖的損耗特性(衰減)它的損耗機(jī)理如圖所示。作為總結(jié)，我們來看看SiO2光纖損耗的波譜圖，如圖所示，它比較全面地表達(dá)了各種損耗特性。第二章光纖與光纜§4光纖的損耗特性同理，散射也是造成光纖損耗的重要原因之一。光纖通信是隨著光纖損耗的不斷降低而發(fā)展起來的。它表明了光纖對光能的傳輸損耗，其對光纖質(zhì)量的評定和對光纖通信系統(tǒng)的中繼距離的確定都起著十分重要的作用。1、本征吸收損耗光纖的散射損耗包括三方面：瑞利散射損耗、結(jié)構(gòu)不完善散射損耗、非線性效應(yīng)散射損耗。至此，我們已經(jīng)介紹了引起光纖損耗的幾個(gè)主要因素，光纖損耗是這些因素影響的總的反映。它是造成光纖損耗的主要原因。光纖通信是隨著光纖損耗的不斷降低而發(fā)展起來的。在不含任何雜質(zhì)的純凈材料中也存在這種吸收損耗。通常軸向錯(cuò)位引起的損耗不太大，而橫向錯(cuò)位和彎折引起的損耗較大。

第二章光纖與光纜§4光纖的損耗特性

二、吸收損耗1、本征吸收損耗另一種吸收稱為紅外吸收。由于光纖材料本身原子之間的化學(xué)鍵形成晶格振動，當(dāng)光纖中傳播的光波與晶格相互作用時(shí)，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，因而引起損耗。又被稱為分子振動吸收損耗。吸收峰在8－12μm之間，對短波長不引起損耗，λ>1.7μm時(shí)，損耗顯著增加。15二、吸收損耗1、本征吸收損耗以上兩種吸收帶，構(gòu)成了光纖的本征吸收損耗帶，它是SiO2材料本身固有的，是不可克服的，只有改變材料成分才能有微小改變。16二、吸收損耗2、雜質(zhì)吸收損耗雜質(zhì)吸收是由于光纖中的雜質(zhì)對光的吸收作用而造成的附加的吸收損耗。它是造成光纖損耗的主要原因。光纖材料中的雜質(zhì)大致可分為兩類，即過渡金屬離子和氫氧根OH-離子。17二、吸收損耗2、雜質(zhì)吸收損耗光纖材料中的過渡金屬離子主要是鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻、釩等。它的形成是由于在制作光纖的原材料中，往往含有一定量的過渡金屬雜質(zhì)，同時(shí)，在光纖的制造過程中，周圍環(huán)境的過渡金屬也有可能進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)，增加了光纖中的過渡金屬雜質(zhì)。18二、吸收損耗2、雜質(zhì)吸收損耗光纖材料中氫氧根離子(OH-)的振動吸收影響較大，是造成雜質(zhì)吸收損耗的主要根源，盡管它的含量可能較其它過渡離子的含量低幾個(gè)數(shù)量級。這是因?yàn)樵诠饫w材料本身中，以及在光纖制造過程中均含有大量的水分，提純中極難消除干凈，最后以O(shè)H-形式殘留在光纖內(nèi)。19光纖的損耗譜0.80.91.01.11.21.31.41.51.6λ(μm)0.30.40.5357OHˉ吸收峰損耗光纖通信波段三個(gè)吸收峰（μm）：0.95、1.25和1.38。20二、吸收損耗3、原子缺陷吸收損耗通常在光纖的制造過程中，光纖材料受到某種熱激勵(lì)或光輻射時(shí)將會發(fā)生某個(gè)共價(jià)鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時(shí)晶格很容易在光場的作用下產(chǎn)生振動，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長約為630nm左右。21三、散射損耗散射是日常生活中常見的一種現(xiàn)象，例如有一杯清水，在水杯側(cè)面用一束光照射，光會透過水杯，當(dāng)把清水換成濁水時(shí)，濁水中出現(xiàn)亮點(diǎn)，光卻不能透射到水杯另一側(cè)去，其原因就是光受濁水中懸浮粒子的散射，光強(qiáng)發(fā)生嚴(yán)重衰減。同理，散射也是造成光纖損耗的重要原因之一。22三、散射損耗光纖的散射損耗包括三方面：瑞利散射損耗、結(jié)構(gòu)不完善散射損耗、非線性效應(yīng)散射損耗。23三、散射損耗1、瑞利散射損耗當(dāng)光波照射到比光波波長還要小的不均勻微粒時(shí)，光波將向四面八方折射，人們把這一物理現(xiàn)象以發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象的物理學(xué)家瑞利命名，稱為瑞利散射。由瑞利散射引起的損耗為瑞利散射損耗。瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成了光纖損耗的極限值。它的大小與λ－4成正比。24三、散射損耗2、光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗(波導(dǎo)散射損耗)光纖制造過程中，由于工藝、技術(shù)問題以及一些隨機(jī)因素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等，這些結(jié)構(gòu)上不完善處的尺寸遠(yuǎn)大于光波波長，引起與波長無關(guān)的散射損耗。25界面散射的模式變換輻射模由于結(jié)構(gòu)不完善所引起的模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)不完善引起的缺陷可隨著工藝的改進(jìn)而降低到0.01－0.2dB/km的范圍之內(nèi)。傳導(dǎo)波模變換后的傳導(dǎo)波26三、散射損耗3、非線性效應(yīng)散射損耗非線性效應(yīng)散射損耗主要是受激而引起的，這種散射損耗只有在很強(qiáng)的入射光激勵(lì)下才表現(xiàn)出來，而光纖通信中所使用的入射光較弱，則這種損耗甚微。27四、其它損耗光纖作傳輸線使用，除了光纖本身的傳輸損耗外，還有由使用條件不當(dāng)造成的損耗。由使用條件不當(dāng)造成的損耗包括彎曲損耗、連接損耗和耦合損耗。28四、其它損耗1、彎曲損耗光纖的彎曲損耗有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習(xí)慣就叫彎曲；另一種是光纖的軸產(chǎn)生的微米級的彎曲，這種高頻彎曲，我們習(xí)慣稱微彎。29四、其它損耗1、彎曲損耗在光纜的生產(chǎn)接續(xù)和施工過程中，不可避免的出現(xiàn)彎曲。它的損耗機(jī)理如圖所示。30光纖彎曲的損耗機(jī)理

若沒有發(fā)生彎曲，則入射角為900－

2，現(xiàn)在發(fā)生彎曲，入射角為900－1，而2小于1，所以入射角減小，若不能發(fā)生全反射，則由傳導(dǎo)模變?yōu)檩椛淠?，封閉在光纖中的光消失，能量損失，從而引起損耗。若仍能發(fā)生全反射，則將變?yōu)楦唠A模，損耗增大。

1

231四、其它損耗1、彎曲損耗光纖彎曲時(shí)會造成模式損耗，如低階模變?yōu)楦唠A模時(shí)，使傳輸路徑增加，損耗增大；若傳導(dǎo)模轉(zhuǎn)換為輻射模時(shí)，造成輻射損耗。32它的大小與λ－4成正比。一、光纖的損耗特性(衰減)它表明了光纖對光能的傳輸損耗，其對光纖質(zhì)量的評定和對光纖通信系統(tǒng)的中繼距離的確定都起著十分重要的作用。造成光纖損耗的原因很多，其損耗機(jī)理也非常復(fù)雜，接下來就以石英光纖為例分別討論各原因引起的情況。一、光纖的損耗特性(衰減)3、原子缺陷吸收損耗它的形成是由于在制作光纖的原材料中，往往含有一定量的過渡金屬雜質(zhì)，同時(shí)，在光纖的制造過程中，周圍環(huán)境的過渡金屬也有可能進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)，增加了光纖中的過渡金屬雜質(zhì)。SiO2光纖的損耗-波譜曲線一個(gè)是紫外吸收，另一個(gè)是紅外吸收。它的損耗機(jī)理如圖所示。五、光纖的損耗特性曲線這是因?yàn)樵诠饫w材料本身中，以及在光纖制造過程中均含有大量的水分，提純中極難消除干凈，最后以O(shè)H-形式殘留在光纖內(nèi)。在不含任何雜質(zhì)的純凈材料中也存在這種吸收損耗。1、本征吸收損耗本征吸收即光纖材料自身的固有吸收。四、其它損耗1、彎曲損耗在敷設(shè)和連接光纜時(shí)，必須考慮彎曲半徑不要小于光纖的容許彎曲半徑。光纖損耗的最小曲率半徑為：式中：a為光纖的纖芯半徑，△為相對折射率差。2minD=aR一般情況下，光纖的彎曲半徑大于10cm時(shí)，光纖的彎曲損耗可以小到忽略不計(jì)。33四、其它損耗1、彎曲損耗微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時(shí)，光纖的纖芯包層和套塑的熱脹系數(shù)不一致而起，其損耗的減小，依賴于對光纖結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。如增大△值等，可以提高光纖的抗微彎能力。34四、其它損耗2、連接損耗它