第八讲 光纤的损耗

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1、 1 1 4 1 3光纤的衰减特性 1 4 1 3 1基本概念衰减是光波经光纤传输后光功率减少量一种度量 是光纤一个最重要传输参数 它取决于光纤工作窗口和长度 衰减 光在光纤中传输时 平均光功率沿传输光纤长度Z方向按指数规律递减现象称为光纤衰减 或称损耗 衰耗 设在波长 处 光纤长度为Z L 衰减定义 2 1 4 1 3光纤的衰减特性 1 4 1 3 1基本概念用对数形式表示为 A 10logP1 0 P2 L 式中 P1 Z 0处注入光纤光功率 即输入端光功率 P2 Z L处出射光纤的功率 即输出端光功率 L 光纤长度 3 1 4 1 3光纤的衰减特性 1 4 1 3 1基本概念通常 对于均

2、匀光纤来说 可用单位长度的衰减 即衰减系数反映光纤的衰减性能的好坏 衰减系数 定义为 式中 L 光纤长度 km 值与选择的光纤长度无关 光纤的损耗 1310nm 0 30 0 5dB Km1550nm 0 2 0 3dB Km850nm 2 3 3 4dB Km塑料多模光纤300dB km光纤熔接点损耗 0 2dB 点光纤熔接点1点 1km 5 1 4 1 3光纤的衰减特性 1 4 1 3 1基本概念例 现有一单模光纤通信系统 光源为LD 发出光功率10mW 光纤输出端光探测器要求最小光功率10nW 若光纤通信系统工作在1310nm波长窗口 此时光纤衰减系数是0 3dB Km 那么请问无需中继

3、器时 光纤通信系统最大无中继距离长度是多少 解 由公式可得 10 L logP1 P2 L 10 logP1 P2 10 log 10 10 3 10 10 9 0 3 200 Km 这种光纤通信系统最大无中继距离长度可达200Km 6 1 4 1 3光纤的衰减特性 反映光信号损失的特性限制了传输的距离 光纤的衰减 8 1 4 1 3光纤的衰减特性 1 4 1 3 2衰减机理 紫外吸收区 吸收损耗 吸收衰减是由于光纤对光能的固有吸收并转换成损耗引起 吸收损耗机理与光纤材料的共振有关 共振是指入射的光波使材料中的电子在不同能级之间或原子在不同振动态之间发生量子跃迁的现象 10 1 4 1 3 2

4、衰减机理 一 光的吸收通常是在光纤构成物质的原子 分子 离子或电子的各量子化的固有能级间产生 如果光波长满足下式 则光纤发生光饱和吸收现象 由此可见 当波长满足一定条件时 便会发生光吸收 光吸收是指光能转换成光纤物质结构中的原子 分子 离子或电子 等跃迁 振动 转动能量或是转换成动能而产生的光能量变换的现象 这种吸收损耗具有可选择性 即对波长的可选择性 衰减的原因 衰减的原因 红外吸收 IR 是光通过SiO2构成的石英玻璃时引起SiO2分子振动共振EV 外层电子跃迁Ee 转动跃迁Er和转换成动能Et引起的光能被吸收现象 起主要作用的是分子振动共振 13 1 本征吸收衰减SiO2中主要光谱频带的

5、理论标准模式如下 1 在1000 2000 cm内 各种模式与Si O Si伸展振动有关 在这种振动中 O原子与它们旁边的Si不一起移动 而是与Si Si线平行移动 2 400 850 cm Si O Si的弯曲振动是主要的 在这种振动中 O原子与Si O Si角的二等分线平行移动 但在600 cm附近 存在着比例较大的Si O Si伸展振动 相邻各原子的振动趋于不同相 衰减的原因 15 2 杂质吸收衰减 非本征吸收衰减 杂质吸收在确定光纤损耗中起着决定性作用 杂质吸收主要有 1 碱金属离子吸收衰减 2 氢氧根离子吸收衰减 3 由氢气导致的吸收衰减 氢损 衰减的原因 衰减的原因 衰减的原因 光

6、纤制造中存在一种吸收损耗非常大的OH 羟基吸收离子 对低损耗光纤吸收峰值起着唯一决定性作用 19 2 杂质吸收衰减 非本征吸收衰减 2 氢氧根离子吸收衰减 OH根的吸收谱 浓度10 4 20 2 杂质吸收衰减 非本征吸收衰减 3 由氢气导致的吸收衰减光纤在氢气氛中将会产生氢损 氢损有二种型式 A H2分子由于扩散作用而进入光纤 当光源波长滿足氢分子某二个能带的带隙Eg h 的波长时 氢分子将发生吸收光子的作用过程 使光能量降低 由H2吸收产生能量损耗 即称之为氢损 这种氢损是可逆的 当光纤周围的氢气氛消失 光纤产生的氢损会自动的消失 B 由H2氢生成OH氢氧根离子 使光纤中的OH含量增加 并与

7、光纤中的分子网络结合产生氢损 属不可逆损耗 21 2 杂质吸收衰减 非本征吸收衰减 3 由氢气导致的吸收衰减光纤氢损产生的原因有二个 其一 光纤对水和潮气极为敏感 水和潮气渗入光缆中 使水分与光缆中的金属加强材料发生氧化反应 置换出氢气 引起氢损 Zn H2O H2 ZnO其二 光纤防水石油膏 称纤膏 引入的氢气造成氢损 22 3 原子缺陷吸收衰减 非本征吸收衰减 原子缺陷吸收衰减是由于光纤在加热过程或者在强烈辐照下 造成玻璃材料受激产生原子缺陷吸收衰减 从光纤拉丝成型过程角度分析 当将光纤预制棒加热到拉丝所需温度1 00 2300 时 采用骤冷方法进行光纤拉丝 虽然可在光纤制造过程中 内部原

8、子结构排列形成时 绕过结晶温度 抑制晶体成核 生长 阻止结晶区的形成 但是还会有极小部分区域产生结晶 这是不希望的 但实际生产中是不可避免地 在结晶区会形成晶体常见的结构缺陷 如 点缺陷 线缺陷 面缺陷等 从而引起吸收光能 造成损耗 23 1 4 1 3 2衰减机理 二 散射衰减 散射衰减光物质的散射是指光入射到某种散射物体后在某处发生极化 并由此发出散射光的现象 当散射光的波长与入射光相同时 称为弹性散射 弹性散射体尺寸小于入射光的波长时 称为瑞利散射 弹性散射体尺寸等于入射光波长时而产生的散射称为梅耶散射 当散射光的波长与入射光波长不相同时 称为非弹性散射 如布里渊散射和喇曼散射 24 1

9、 4 1 3 2衰减机理 二 散射衰减散射衰减是以散射的形式将传播中的光能辐射出光纤外的一种损耗 它主要是由于光纤非结晶材料在微观空间的颗粒状结构和玻璃中存在的气泡 微裂纹 杂质及未熔化的生料粒子 结构缺陷等在这种材料上的不均匀性和光纤尺寸和结构不完善 表面畸变等光波导的结构上的不均匀性而引起的光在相应界面上发生散射引起损耗的现象 光纤在加热过程中产生的缺陷主要包括 无定形材料结晶 相分离 密度波动等 25 散射衰减 1 材料散射衰减2 波导散射衰减 1 线性散射衰减 2 非线性散射衰减 瑞利散射衰减梅耶散射衰减 受激布里渊散射受激喇曼散射 1 光纤结构不完善 2 芯包界面凹凸不平 26 1

10、材料散射衰减 1 线性散射衰减线性散射衰减是因为在光纤制造时 熔融态玻璃分子在冷却过程中随机的无序热运动引起其结构内部的密度和折射率起伏并产生诸如气泡 杂质 不溶性粒子 晶体结构缺陷等材料内部不均匀结构 致使光波在光纤内传播时遇到介质不均匀或不连续的界面状态时 在界面上发生光的折射 会有一部分光散射到各个方向 不再沿光纤的芯轴向前传播 这部分光能不能被传输到光纤输出终端 在中途将被损耗掉 而产生散射现象 由这种原因产生的散射损耗是由材料自身存在的缺陷而引起 所以它被称为本征材料散射损耗或线性散射损耗 27 1 材料散射衰减 1 线性散射衰减 瑞利散散瑞利散射是由纤芯材料中存在微小颗粒或气孔等结

11、构不均匀引起 不均匀粒子 气孔等尺寸远比入射光波长小得多 通常小于 10 材料密度不均匀造成折射率不均匀也会引起这种散射衰减 折射率不均匀 起伏是由于光纤制造冷却过程中有晶格产生 或密度和成分 结构变化引起 同时 温度起伏变化 成分不均匀都会引起这种散射衰减 28 1 材料散射衰减 1 线性散射衰减 瑞利散散瑞利散射是引起光纤中散射损耗的主要成因 瑞利散射具有与波长的 4成反比的性质 即 R C 4式中 常数C的大小范围是0 7 0 9 dB km m4 与光纤纤芯的组成有关 在1 55 m波段 瑞利散射引起的损耗仍达0 12 0 16dB km 仍是该波段损耗的主要原因 显然 若能在更长波长

12、区域内工作 瑞利损耗的影响将会减小 3 m处约0 01dB km 但又会受限于石英光纤的材料损耗 红外吸收 29 波导散射衰减 波导散射衰减是指光纤波导宏观上不均匀而引起光纤损耗的增加 产生原因主要是由于波导尺寸 结构上不均匀 如 光纤制造时拉丝速度不一致 造成光纤直径粗细不均匀 截面形状变化等 以及表面畸变引起模式间转换或模式间耦合所造成的一种衰减 30 波导散射衰减 光纤波导结构上的缺陷 如芯层 包层界面上存在着缺陷 光纤沉积层缺陷 芯层内含有气泡气疤等都将引起光纤波导散射衰减 造成整个光纤损耗系数的上升 这类散射损耗产生的主要原因是预制棒熔炼工艺不完善 拉丝工艺不适合等 造成光纤粗细不均

13、匀 光纤呈椭圆等 目前的光纤制造水平 可将芯径的变动控制到 1 相应的散射损耗 0 03dB km 31 波导散射衰减 为降低光纤波导散射衰减 可以从以下几个方面入手 熔炼光纤预制棒时 要严格保证它的均匀性 在拉丝工艺上采取精确措施 保持拉丝光纤直径的均匀性 应选择使用高精度 稳定性好的光纤拉丝机 随着光纤制造工艺和水平的提高 光纤波导的结构 尺寸 性能日趋瑧善 这种波导散射引起的损耗目前已完全可以控制 32 光纤弯曲衰减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 1 4 1 3 2衰减机理

14、三 光纤弯曲衰减 33 宏弯衰减 在光缆的生产 接续和施工过程中 不可避免地出现弯曲 光纤有一定曲率半径的弯曲时就会产生辐射损耗 当曲率半径减小时 损耗以指数形式增加 34 宏弯衰减 光纤宏弯衰减可由下式计算 式中 A和B为与光纤参数 芯半径 外径 相对折射率差 有关的常数 通常认为 对长期和短期应用 光纤最小弯曲半径应分别大于其包层直径的150倍和100倍 对通常包层直径为125 m的光纤 最小弯曲半径分别为19mm和13mm 一般认为R 10cm时 弯曲损耗即可忽略不计 35 微弯衰减 是指光纤轴局部产生的微小畸变 其曲率半径与光纤的横截面尺寸相当 它主要是光纤生产过程中产生的一种随机缺陷 其损耗机理和宏弯一致 也是由模式变换引起的 微弯导致了导播模与泄漏模或非导波模之间的重复性能量耦合 微弯衰减是不可避免的 如不当心会达到无法容忍的程度 它是光缆设计与成缆工艺中必须认真处理的问题 36 微弯损耗 微弯的原因 光纤的生产过程中的带来的不均 成缆时受到压力不均 使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同 导致的后果 造成能量辐射损耗 减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套