光纤的损耗特性

3.1光纤的损耗特性光纤通信是随着光纤损耗的不断降低而发展起来的，造成光纤损耗的原因很多，其损耗机理也很复杂。下面就以石英光纤为例来讨论引起光纤损耗的各种机理。光纤损耗分为三类:吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗。3.1.1吸收损耗吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子等杂质对光的吸收而产生的损耗，前者是由光纤材料的特性所决定的，称为本征吸收损耗。后者可以引起杂质吸收损耗和原子缺陷吸收损耗。本征吸收损耗：本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。在短波长区，主要是紫外吸收的影响，称为紫外吸收损耗。紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。在长波长区，红外吸收起主导作用，称为红外吸收损耗。红外吸收损耗是由于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，从而引起的损耗。在光纤制造过程中，可以通过合理地选择光纤的掺杂材料来减小本征吸收损耗。杂质吸收损耗：光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，这些杂质离子主要是在光纤传输的电磁场（光波）的作用下产生振动，从而吸收一部分光能，引起损耗。它们的影响可以随杂质浓度的降低而减小，直到清除。原子缺陷损耗：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。原子缺陷吸收，可以通过选用合适的制造工艺、不同的掺杂材料及含量，使之减小到可以忽略不计的程度3.1.2散射损耗散射损耗是指在光纤中传输的一部分光由于散射而改变传输方向，从而使一部分光不能到达收端所产生的损耗。散射损耗可分为线性散射损耗和非线性散射损耗两大类。线性散射损耗：任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。瑞利散射是一种最基本的散射过程，它是由光纤材料折射率分布小尺寸的随即不均匀性所引起的损耗。瑞利散射损耗与波长的四次方成反比，即波长越短，损耗越大。因此对短波影响较大。瑞利散射也是一种本征损耗。在光纤制造过程中，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，这种缺陷是光纤结构不完善引起的散射损耗。这种结构上的不完善处的尺寸大于光波波长，引起与波长无关的散射损耗。非线性散射损耗：光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别称为受激喇曼散射和受激布里渊散射。在常规光纤中由于半导体激光器发送光功率较小，该损耗可忽略。但在某些系统中，由于总功率很大，就必须考虑其影响。3.1.3弯曲损耗光纤的弯曲有两种形式，一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。弯曲损耗是由于光纤中部分传导模在弯曲部位成为辐射模而形成的损耗。它与弯曲半径成指数关系，弯曲半径越大，弯曲损耗越小。微弯损耗是由于制造过程中光纤受到不均匀的侧压力或套塑光纤遇到温度变化时，纤芯与包层的界面因膨胀系数不一致而出现局部凹凸。这种微弯损耗的减小，依赖于对光纤结构的合理设计。