第二章光纤的损耗特性

1光纤的特性较多，可以归纳如下：光纤特性传输特性光学特性几何尺寸机械特性温度特性损耗色散折射率分布数值孔径芯径外径偏心度椭圆度2其中最基本的是传输特性，传输特性包括损耗特性和色散特性，本节主要介绍光纤的损耗特性。3一、光纤的损耗特性(衰减)二、吸收损耗三、散射损耗四、其它损耗五、光纤的损耗特性曲线光纤的损耗特性4光纤通信是随着光纤损耗的不断降低而发展起来的。光纤损耗是决定光纤通信中继距离的主要因素之一。造成光纤损耗的原因很多，其损耗机理也非常复杂，接下来就以石英光纤为例分别讨论各原因引起的情况。5一、光纤的损耗特性(衰减)衰减是光纤的一个重要的传输参数。它表明了光纤对光能的传输损耗，其对光纤质量的评定和对光纤通信系统的中继距离的确定都起着十分重要的作用。6一、光纤的损耗特性(衰减)(1)衰减光在光纤中传播时，平均光功率沿光纤长度按照指数规律减少，即：式中：P(0)—在L=0处注入光纤的光功率；P(L)—传输到轴向距离L处的光功率。()1010)0()(LPLP-a=7一、光纤的损耗特性(衰减)(2)衰减系数衰减系数α，则定义为单位长度光纤引起的光功率衰减。当长度为L时(dB/km)式中：α(λ)—在波长为λ处的衰减系数与波长的函数关系，其数值与选择的光纤长度无关。()()()0lg10PLPLa-=l8一、光纤的损耗特性(衰减)引起光纤的损耗有很多因素。归纳起来，光纤的损耗大致可分为吸收损耗、散射损耗和其它损耗。9二、吸收损耗吸收损耗，就是由于组成光纤的材料及其中的杂质(过渡金属杂质和氢氧根OH-离子等)对光波的吸收，使一部分光能转变为散失的热能，从而造成光功率的损失。吸收损耗包括本征吸收损耗、杂质吸收损耗和原子缺陷吸收损耗三部分。10二、吸收损耗1、本征吸收损耗本征吸收即光纤材料自身的固有吸收。在不含任何杂质的纯净材料中也存在这种吸收损耗。不同的光纤材料，对光的吸收作用也不同，其主要取决于材料的原子结构，即使是同一种光纤材料，对于不同波长的光波，其吸收作用也不同。11二、吸收损耗1、本征吸收损耗对于石英玻璃光纤，本征吸收在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。一个是紫外吸收，另一个是红外吸收。如下图所示。12SiO2光纤的损耗-波谱曲线13二、吸收损耗1、本征吸收损耗对于石英玻璃光纤本征吸收在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。一个是紫外吸收，另一个是红外吸收。紫外吸收是由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，因而引起损耗。又被称为电子跃迁吸收损耗。吸收峰在0.16μm附近，吸收损耗曲线已经延伸到光纤通信波段。14第二章光纤与光缆§4光纤的损耗特性二、吸收损耗1、本征吸收损耗另一种吸收称为红外吸收。由于光纤材料本身原子之间的化学键形成晶格振动，当光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，因而引起损耗。又被称为分子振动吸收损耗。吸收峰在8－12μm之间，对短波长不引起损耗，λ1.7μm时，损耗显著增加。15二、吸收损耗1、本征吸收损耗以上两种吸收带，构成了光纤的本征吸收损耗带，它是SiO2材料本身固有的，是不可克服的，只有改变材料成分才能有微小改变。16二、吸收损耗2、杂质吸收损耗杂质吸收是由于光纤中的杂质对光的吸收作用而造成的附加的吸收损耗。它是造成光纤损耗的主要原因。光纤材料中的杂质大致可分为两类，即过渡金属离子和氢氧根OH-离子。17二、吸收损耗2、杂质吸收损耗光纤材料中的过渡金属离子主要是铁、钴、镍、铜、锰、铬、钒等。它的形成是由于在制作光纤的原材料中，往往含有一定量的过渡金属杂质，同时，在光纤的制造过程中，周围环境的过渡金属也有可能进入反应系统，增加了光纤中的过渡金属杂质。18二、吸收损耗2、杂质吸收损耗光纤材料中氢氧根离子(OH-)的振动吸收影响较大，是造成杂质吸收损耗的主要根源，尽管它的含量可能较其它过渡离子的含量低几个数量级。这是因为在光纤材料本身中，以及在光纤制造过程中均含有大量的水分，提纯中极难消除干净，最后以OH-形式残留在光纤内。19光纤的损耗谱0.80.91.01.11.21.31.41.51.6λ(μm)0.30.40.5357OHˉ吸收峰损耗光纤通信波段三个吸收峰（μm）：0.95、1.25和1.38。20二、吸收损耗3、原子缺陷吸收损耗通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。21三、散射损耗散射是日常生活中常见的一种现象，例如有一杯清水，在水杯侧面用一束光照射，光会透过水杯，当把清水换成浊水时，浊水中出现亮点，光却不能透射到水杯另一侧去，其原因就是光受浊水中悬浮粒子的散射，光强发生严重衰减。同理，散射也是造成光纤损耗的重要原因之一。22三、散射损耗光纤的散射损耗包括三方面：瑞利散射损耗、结构不完善散射损耗、非线性效应散射损耗。23三、散射损耗1、瑞利散射损耗当光波照射到比光波波长还要小的不均匀微粒时，光波将向四面八方折射，人们把这一物理现象以发现此现象的物理学家瑞利命名，称为瑞利散射。由瑞利散射引起的损耗为瑞利散射损耗。瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成了光纤损耗的极限值。它的大小与λ－4成正比。24三、散射损耗2、光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗)光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等，这些结构上不完善处的尺寸远大于光波波长，引起与波长无关的散射损耗。25界面散射的模式变换辐射模由于结构不完善所引起的模式转换结构不完善引起的缺陷可随着工艺的改进而降低到0.01－0.2dB/km的范围之内。传导波模变换后的传导波26三、散射损耗3、非线性效应散射损耗非线性效应散射损耗主要是受激而引起的，这种散射损耗只有在很强的入射光激励下才表现出来，而光纤通信中所使用的入射光较弱，则这种损耗甚微。27四、其它损耗光纤作传输线使用，除了光纤本身的传输损耗外，还有由使用条件不当造成的损耗。由使用条件不当造成的损耗包括弯曲损耗、连接损耗和耦合损耗。28四、其它损耗1、弯曲损耗光纤的弯曲损耗有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯就叫弯曲；另一种是光纤的轴产生的微米级的弯曲，这种高频弯曲，我们习惯称微弯。29四、其它损耗1、弯曲损耗在光缆的生产接续和施工过程中，不可避免的出现弯曲。它的损耗机理如图所示。30光纤弯曲的损耗机理若没有发生弯曲，则入射角为900－2，现在发生弯曲，入射角为900－1，而2小于1，所以入射角减小，若不能发生全反射，则由传导模变为辐射模，封闭在光纤中的光消失，能量损失，从而引起损耗。若仍能发生全反射，则将变为高阶模，损耗增大。1231四、其它损耗1、弯曲损耗光纤弯曲时会造成模式损耗，如低阶模变为高阶模时，使传输路径增加，损耗增大；若传导模转换为辐射模时，造成辐射损耗。32四、其它损耗1、弯曲损耗在敷设和连接光缆时，必须考虑弯曲半径不要小于光纤的容许弯曲半径。光纤损耗的最小曲率半径为：式中：a为光纤的纤芯半径，△为相对折射率差。2minD=aR一般情况下，光纤的弯曲半径大于10cm时，光纤的弯曲损耗可以小到忽略不计。33四、其它损耗1、弯曲损耗微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯包层和套塑的热胀系数不一致而起，其损耗的减小，依赖于对光纤结构的合理设计。如增大△值等，可以提高光纤的抗微弯能力。34四、其它损耗2、连接损耗它是因两根光纤在连接时产生的，即由于被连接的两根光纤的端面发生空间错位(轴向错位、横向错位以及因端面倾斜而引起拼接弯折)而产生的损耗。通常轴向错位引起的损耗不太大，而横向错位和弯折引起的损耗较大。35四、其它损耗3、耦合损耗它是由于激光源和光电检测器与光纤之间的耦合产生的损耗。36五、光纤的损耗特性曲线至此，我们已经介绍了引起光纤损耗的几个主要因素，光纤损耗是这些因素影响的总的反映。作为总结，我们来看看SiO2光纤损耗的波谱图，如图所示，它比较全面地表达了各种损耗特性。37SiO2光纤的损耗-波谱曲线