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实现光纤通信,一个重要的问题是尽可能地降低光纤的损耗。

光纤损耗
光纤损耗
所谓损耗是指光纤每单位长度上的衰减,单位为dB/km。光纤损耗的高低直接影响传输距离或中继站间隔距离的远近,因此,了解并降低光纤的损耗对光纤通信有着重大的现实意义。尽管光波有着极大的带宽,但在1961-1970年,人们主要研究利用大气传输光信号,实践证明,由于受到气候环境的严重影响,无法实现正常的通信。在人们考虑的其它传输介质中,用石英玻璃材料制成的光导纤维即光纤来传输光信号成为研究的重点。但是当时普通石英玻璃材料的损耗高达1000dB/km,传输距离很有限。1966年7月,英国标准电信研究所的英藉华人高锟(K.C.Kao)博士和霍克哈姆(G.A.HocKham)博士根据介质波导理论指出:光纤的高损耗并不是其本身固有的,而是由材料中所含的杂质引起的。并预言如果降低材料中的杂质含量,可使得光纤的损耗降至20dB/km,甚至更小。1970年,美国康宁(Corning)玻璃有限公司成功地研制了损耗为20dB/km的低损耗石英光纤,这使得光纤完全能胜任作为传输光波的传输媒介,也开辟了光纤通信的新纪元。

目录

概念及分类编辑本段回目录

一、光纤的吸收损耗
这是由于光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的,它们把光能以热能的形式消耗于光纤中,是光纤损耗中重要的损耗,吸收损耗包括以下几种:
1、物质本征吸收损耗

这是由于物质固有的吸收引起的损耗。它有两个频带,一个在近红外的8~12μm区域里,这个波段的本征吸收是由于振动。另一个物质固有吸收带在紫外波段,吸收很强时,它的尾巴会拖到0.7~1.1μm波段里去。
(1)紫外吸收

光纤损耗
光纤损耗

光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级,同时引起入射光的能量损耗,一般发生在短波长范围。

(2)红外吸收

光纤损耗
光纤损耗

 

光波与光纤晶格相互作用,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。

 

 

 

(3)本征吸收曲线

光纤损耗
光纤损耗

2、掺杂剂和杂质离子引起的吸收损耗

光纤损耗
光纤损耗

光纤材料中含有跃迁金属如铁、铜、铬等,它们有各自的吸收峰和吸收带并随它们价态不同而不同。由跃迁金属离子吸收引起的光纤损耗取决于它们的浓度。另外,OH-存在也产生吸收损耗,OH-的基本吸收极峰在2.7μm附近,吸收带在0.5~1.0μm范围。对于纯石英光纤,杂质引起的损耗影响可以不考虑。
解决方法:(1)光纤材料化学提纯,比如达到99.9999999%的纯度。(2)制造工艺上改进,如避免使用氢氧焰加热(汽相轴向沉积法)

3、原子缺陷吸收损耗

光纤材料由于受热或强烈的辐射,它会受激而产生原子的缺陷,造成对光的吸收,产生损耗,但一般情况下这种影响很小。
二、光纤的散射损耗

光纤内部的散射,会减小传输的功率,产生损耗。散射中最重要的是瑞利散射

光纤损耗
瑞利散射

它是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。
光纤材料在加热过程中,由于热骚动,使原子得到的压缩性不均匀,使物质的密度不均匀,进而使折射率不均匀。这种不均匀在冷却过程中被固定下来,它的尺寸比光波波长要小。光在传输时遇到这些比光波波长小,带有随机起伏的不均匀物质时,改变了传输方向,产生散射,引起损耗。另外,光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射,产生损耗。
三、波导散射损耗
这是由于交界面随机的畸变或粗糙所产生的散射,实际上它是由表面畸变或粗糙所引起的模式转换或模式耦合。一种模式由于交界面的起伏,会产生其他传输模式和辐射模式。由于在光纤中传输的各种模式衰减不同,在长距离的模式变换过程中,衰减小的模式变成衰减大的模式,连续的变换和反变换后,虽然各模式的损失会平衡起来,但模式总体产生额外的损耗,即由于模式的转换产生了附加损耗,这种附加的损耗就是波导散射损耗。要降低这种损耗,就要提高光纤制造工艺。对于拉得好或质量高的光纤,基本上可以忽略这种损耗。目前的制造工艺基本可以克服波导散射。
商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较

光纤损耗
光纤损耗

多模光纤的损耗大于单模光纤:
-多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径(本征散射大)
-由于纤芯-包层边界的微扰,多模光纤容易产生高阶模式损耗
四、光纤弯曲产生的辐射损耗

光纤损耗
光纤损耗

光纤是柔软的,可以弯曲,可是弯曲到一定程度后,光纤虽然可以导光,但会使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模,使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉,从而产生损耗。当弯曲半径大于5~10cm时,由弯曲造成的损耗可以忽略。
宏弯:曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲
微弯:光纤轴线产生微米级的高频弯曲

光纤损耗的度量编辑本段回目录

总的来说,光信号在光纤中传播的时候,其功率随距离L的增加呈指数衰减:光纤损耗
那么,评价光纤损耗特性可以通过损耗系数来衡量。光纤的损耗系数定义为:光纤损耗

其中L为光纤长度,Pin和Pout分别为输入和输出光功率。一般标准单模光纤在1550nm的损耗系数为0.2dB/km。

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标签: 光纤损耗

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