第八講 光纖的損耗

1、1,1.4 .1 .3 光纖的衰減特性,1.4.1.3.1 基本概念 衰減是光波經(jīng)光纖傳輸后光功率減少量一種度量，是光纖一個最重要傳輸參數(shù)，它取決于光纖工作窗口和長度。 衰減：光在光纖中傳輸時，平均光功率沿傳輸光纖長度Z方向按指數(shù)規(guī)律遞減現(xiàn)象稱為光纖衰減（或稱損耗、衰耗）。設(shè)在波長處，光纖長度為Z=L，衰減定義：,2,1.4 .1 .3 光纖的衰減特性,1.4.1.3.1 基本概念 用對數(shù)形式表示為： A（）=10logP1（0）/P2（L） 式中： P1（） Z=0處注入光纖光功率，即輸入端光功率； P2（） Z=L處出射光纖的功率，即輸出端光功率。 L 光纖長度,3,1.4 .1 .3 光

2、纖的衰減特性,1.4.1.3.1 基本概念 通常，對于均勻光纖來說，可用單位長度的衰減，即衰減系數(shù)反映光纖的衰減性能的好壞。衰減系數(shù)()定義為： 式中：L光纖長度(km)。 ()值與選擇的光纖長度無關(guān)。,光纖的損耗,1310 nm : 0.30 0.5 dB/Km 1550 nm : 0.2 0.3dB/Km 850 nm : 2.3 3.4 dB/Km 塑料多模光纖300dB/km 光纖熔接點損耗：0.2dB/點 光纖熔接點 1點/1km,5,1.4 .1 .3 光纖的衰減特性,1.4.1.3.1 基本概念 例：現(xiàn)有一單模光纖通信系統(tǒng)，光源為LD，發(fā)出光功率10mW，光纖輸出端光探測器要求最

3、小光功率10nW，若光纖通信系統(tǒng)工作在1310nm波長窗口，此時光纖衰減系數(shù)是0.3dB/Km，那么請問無需中繼器時，光纖通信系統(tǒng)最大無中繼距離長度是多少？ 解：由公式可得： （）=（10/L）logP1（）/P2（） L=10logP1（）/P2（）/（） =10log（1010-3）/（1010-9）/0.3 =200（Km） 這種光纖通信系統(tǒng)最大無中繼距離長度可達(dá)200Km。,6,1.4 .1 .3 光纖的衰減特性,反映光信號損失的特性 限制了傳輸?shù)木嚯x,光纖的衰減,8,1.4 .1 .3 光纖的衰減特性,1.4.1.3.2 衰減機理,紫外吸收區(qū),吸收損耗,吸收衰減是由于光纖對光能的固有

4、吸收并轉(zhuǎn)換成損耗引起。吸收損耗機理與光纖材料的共振有關(guān)。共振是指入射的光波使材料中的電子在不同能級之間或原子在不同振動態(tài)之間發(fā)生量子躍遷的現(xiàn)象。,10,1.4 .1 .3 .2 衰減機理（一）,光的吸收通常是在光纖構(gòu)成物質(zhì)的原子、分子、離子或電子的各量子化的固有能級間產(chǎn)生，如果光波長滿足下式： 則光纖發(fā)生光飽和吸收現(xiàn)象。由此可見，當(dāng)波長滿足一定條件時，便會發(fā)生光吸收。光吸收是指光能轉(zhuǎn)換成光纖物質(zhì)結(jié)構(gòu)中的原子（分子、離子或電子）等躍遷、振動、轉(zhuǎn)動能量或是轉(zhuǎn)換成動能而產(chǎn)生的光能量變換的現(xiàn)象。這種吸收損耗具有可選擇性，即對波長的可選擇性。,衰減的原因,衰減的原因,紅外吸收（IR）是光通過SiO2構(gòu)成

5、的石英玻璃時引起SiO2分子振動共振EV、外層電子躍遷Ee、轉(zhuǎn)動躍遷Er和轉(zhuǎn)換成動能Et引起的光能被吸收現(xiàn)象，起主要作用的是分子振動共振。,13,1、本征吸收衰減 SiO2中主要光譜頻帶的理論標(biāo)準(zhǔn)模式如下： （1）在1000-2000/cm內(nèi)，各種模式與Si-O-Si伸展振動有關(guān)，在這種振動中，O原子與它們旁邊的Si不一起移動，而是與Si-Si線平行移動； （2）400-850/cm，Si-O-Si的彎曲振動是主要的，在這種振動中，O原子與Si-O-Si角的二等分線平行移動，但在600/cm附近，存在著比例較大的Si-O-Si伸展振動，相鄰各原子的振動趨于不同相；,衰減的原因,15,2、雜質(zhì)吸

6、收衰減（非本征吸收衰減） 雜質(zhì)吸收在確定光纖損耗中起著決定性作用。雜質(zhì)吸收主要有： （1）、堿金屬離子吸收衰減。 （2）、氫氧根離子吸收衰減。 （3）、由氫氣導(dǎo)致的吸收衰減（氫損）。,衰減的原因,衰減的原因,衰減的原因,光纖制造中存在一種吸收損耗非常大的OH羥基吸收離子，對低損耗光纖吸收峰值起著唯一決定性作用，,19,2、雜質(zhì)吸收衰減（非本征吸收衰減） （2）、氫氧根離子吸收衰減,OH根的吸收譜（濃度10-4）,20,2、雜質(zhì)吸收衰減（非本征吸收衰減） （3）、由氫氣導(dǎo)致的吸收衰減 光纖在氫氣氛中將會產(chǎn)生氫損。氫損有二種型式： A、H2分子由于擴散作用而進(jìn)入光纖，當(dāng)光源波長滿足氫分子某二個能帶

7、的帶隙Eg=h的波長時，氫分子將發(fā)生吸收光子的作用過程，使光能量降低，由H2吸收產(chǎn)生能量損耗，即稱之為氫損。這種氫損是可逆的，當(dāng)光纖周圍的氫氣氛消失，光纖產(chǎn)生的氫損會自動的消失。,B、由H2氫生成OH氫氧根離子，使光纖中的OH含量增加，并與光纖中的分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)合產(chǎn)生氫損，屬不可逆損耗。,21,2、雜質(zhì)吸收衰減（非本征吸收衰減） （3）、由氫氣導(dǎo)致的吸收衰減 光纖氫損產(chǎn)生的原因有二個： 其一，光纖對水和潮氣極為敏感。水和潮氣滲入光纜中，使水分與光纜中的金屬加強材料發(fā)生氧化反應(yīng)，置換出氫氣，引起氫損。 Zn+H2O=H2+ZnO 其二，光纖防水石油膏（稱纖膏）引入的氫氣造成氫損。,22,3、原子缺陷

8、吸收衰減（非本征吸收衰減） 原子缺陷吸收衰減是由于光纖在加熱過程或者在強烈輻照下，造成玻璃材料受激產(chǎn)生原子缺陷吸收衰減。從光纖拉絲成型過程角度分析，當(dāng)將光纖預(yù)制棒加熱到拉絲所需溫度100-2300時，采用驟冷方法進(jìn)行光纖拉絲，雖然可在光纖制造過程中，內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)排列形成時，繞過結(jié)晶溫度，抑制晶體成核、生長，阻止結(jié)晶區(qū)的形成，但是還會有極小部分區(qū)域產(chǎn)生結(jié)晶，這是不希望的，但實際生產(chǎn)中是不可避免地，在結(jié)晶區(qū)會形成晶體常見的結(jié)構(gòu)缺陷,如：點缺陷、線缺陷、面缺陷等，從而引起吸收光能，造成損耗。,23,1.4 .1 .3 .2 衰減機理（二）-散 射 衰 減,散 射 衰 減 光物質(zhì)的散射是指光入射到某種

9、散射物體后在某處發(fā)生極化，并由此發(fā)出散射光的現(xiàn)象。當(dāng)散射光的波長與入射光相同時，稱為彈性散射，彈性散射體尺寸小于入射光的波長時，稱為瑞利散射，彈性散射體尺寸等于入射光波長時而產(chǎn)生的散射稱為梅耶散射。當(dāng)散射光的波長與入射光波長不相同時，稱為非彈性散射，如布里淵散射和喇曼散射。,24,1.4 .1 .3 .2 衰減機理（二）,散 射 衰 減 散射衰減是以散射的形式將傳播中的光能輻射出光纖外的一種損耗。它主要是由于光纖非結(jié)晶材料在微觀空間的顆粒狀結(jié)構(gòu)和玻璃中存在的氣泡、微裂紋、雜質(zhì)及未熔化的生料粒子、結(jié)構(gòu)缺陷等在這種材料上的不均勻性和光纖尺寸和結(jié)構(gòu)不完善、表面畸變等光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)上的不均勻性而引起的光

10、在相應(yīng)界面上發(fā)生散射引起損耗的現(xiàn)象。光纖在加熱過程中產(chǎn)生的缺陷主要包括：無定形材料結(jié)晶、相分離、密度波動等。,25,散射衰減,1、材料散射衰減 2、波導(dǎo)散射衰減,（1）線性散射衰減 （2）非線性散射衰減,瑞利散射衰減 梅耶散射衰減,受激布里淵散射 受激喇曼散射,（1）光纖結(jié)構(gòu)不完善 （2）芯包界面凹凸不平,26,1、材料散射衰減,（1）線性散射衰減 線性散射衰減是因為在光纖制造時，熔融態(tài)玻璃分子在冷卻過程中隨機的無序熱運動引起其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的密度和折射率起伏并產(chǎn)生諸如氣泡、雜質(zhì)、不溶性粒子、晶體結(jié)構(gòu)缺陷等材料內(nèi)部不均勻結(jié)構(gòu)，致使光波在光纖內(nèi)傳播時遇到介質(zhì)不均勻或不連續(xù)的界面狀態(tài)時，在界面上發(fā)生光的

11、折射，會有一部分光散射到各個方向，不再沿光纖的芯軸向前傳播，這部分光能不能被傳輸?shù)焦饫w輸出終端，在中途將被損耗掉，而產(chǎn)生散射現(xiàn)象，由這種原因產(chǎn)生的散射損耗是由材料自身存在的缺陷而引起，所以它被稱為本征材料散射損耗或線性散射損耗。,27,1、材料散射衰減,（1）線性散射衰減-瑞利散散 瑞利散射是由纖芯材料中存在微小顆粒或氣孔等結(jié)構(gòu)不均勻引起。不均勻粒子、氣孔等尺寸遠(yuǎn)比入射光波長小得多，通常小于/10。材料密度不均勻造成折射率不均勻也會引起這種散射衰減，折射率不均勻、起伏是由于光纖制造冷卻過程中有晶格產(chǎn)生，或密度和成分、結(jié)構(gòu)變化引起。同時，溫度起伏變化、成分不均勻都會引起這種散射衰減。,28,1、

12、材料散射衰減,（1）線性散射衰減-瑞利散散 瑞利散射是引起光纖中散射損耗的主要成因，瑞利散射具有與波長的4 成反比的性質(zhì)，即： R=C/4 式中：常數(shù)C的大小范圍是0.70.9（dB/km）m4,與光纖纖芯的組成有關(guān)。在1.55m波段，瑞利散射引起的損耗仍達(dá)0.120.16dB/km，仍是該波段損耗的主要原因。顯然，若能在更長波長區(qū)域內(nèi)工作，瑞利損耗的影響將會減?。?m處約0.01dB/km)，但又會受限于石英光纖的材料損耗（紅外吸收）。,29,、波導(dǎo)散射衰減,波導(dǎo)散射衰減是指光纖波導(dǎo)宏觀上不均勻而引起光纖損耗的增加。產(chǎn)生原因主要是由于波導(dǎo)尺寸、結(jié)構(gòu)上不均勻（如：光纖制造時拉絲速度不一致，造成

13、光纖直徑粗細(xì)不均勻、截面形狀變化等）以及表面畸變引起模式間轉(zhuǎn)換或模式間耦合所造成的一種衰減。,30,、波導(dǎo)散射衰減,光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上的缺陷，如芯層包層界面上存在著缺陷、光纖沉積層缺陷、芯層內(nèi)含有氣泡氣疤等都將引起光纖波導(dǎo)散射衰減，造成整個光纖損耗系數(shù)的上升。這類散射損耗產(chǎn)生的主要原因是預(yù)制棒熔煉工藝不完善、拉絲工藝不適合等，造成光纖粗細(xì)不均勻、光纖呈橢圓等。目前的光纖制造水平，可將芯徑的變動控制到1%，相應(yīng)的散射損耗0.03dB/km。,31,、波導(dǎo)散射衰減,為降低光纖波導(dǎo)散射衰減，可以從以下幾個方面入手： 熔煉光纖預(yù)制棒時，要嚴(yán)格保證它的均勻性； 在拉絲工藝上采取精確措施，保持拉絲光纖直徑的均

14、勻性； 應(yīng)選擇使用高精度、穩(wěn)定性好的光纖拉絲機。 隨著光纖制造工藝和水平的提高，光纖波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)、尺寸、性能日趨瑧善，這種波導(dǎo)散射引起的損耗目前已完全可以控制。,32,光纖彎曲衰減 光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習(xí)慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱為微彎。,1.4 .1 .3 .2 衰減機理（三）-光纖彎曲衰減,33,宏彎衰減：在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。光纖有一定曲率半徑的彎曲時就會產(chǎn)生輻射損耗。當(dāng)曲率半徑減小時，損耗以指數(shù)形式增加。,34,宏彎衰減：光纖宏彎衰減可由下式計算： 式中：A和B為與光纖參數(shù)（芯半徑、外徑、相對折射率差）有關(guān)的常數(shù)。通常認(rèn)為，對長期和短期應(yīng)用，光纖最小彎曲半徑應(yīng)分別大于其包層直徑的150倍和100倍，對通常包層直徑為125m的光纖，最小彎曲半徑分別為19mm和13mm。一般認(rèn)為R10cm時，彎曲損耗即可忽略不計。,35,微彎衰減：是指光纖軸局部產(chǎn)生的微小畸變，其曲率半徑與光纖的橫