第二章光纤的损耗特性

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第二章 光纤与光缆§4光纤的损耗特性 二、吸收损耗
吸收峰在8－ 之间， 吸收峰在 －12µm之间，对短波长 之间 不引起损耗， 不引起损耗，λ>1.7µm时，损耗显 时 1、本征吸收损耗 。 著增加
另一种吸收称为红外吸收。由于光纤材 另一种吸收称为红外吸收。 料本身原子之间的化学键形成晶格振动， 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， 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， 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。 而引起损耗。又被称为分子振动吸收损耗。
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界面散射的模式变换
辐射模 传导波 模变换后 的传导波
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 的范围之内。 0.01－0.2dB/km的范围之内。
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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， 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。 光较弱，则这种损耗甚微。
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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、 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 钒等。 于在制作光纤的原材料中， 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， 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。 系统，增加了光纤中的过渡金属杂质。
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三、散射损耗 光纤的散射损耗包括三方面： 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、 射损耗、结构不完善散射损耗、 非线性效 应散射损耗。 应散射损耗。
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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， 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 瑞利散射。 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。 耗为瑞利散射损耗 。 瑞利散射损耗也是一种 本征损耗， 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 成正比。 纤损耗的极限值。它的大小与λ－4成正比。
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光纤的损耗特性(衰减) 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 光在光纤中传播时， 度按照指数规律减少， 度按照指数规律减少，即：
P( L) = P(0)10
− ( α L 10 )
式中：P(0)—在L=0处注入光纤的光功率 处注入光纤的光功率； 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。 P(L) 传输到轴向距离L处的光功率。 传输到轴向距离
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四、其它损耗 光纤作传输线使用， 光纤作传输线使用 ， 除了光纤本身 的传输损耗外， 的传输损耗外 ， 还有由使用条件不当造 成的损耗。 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。 包括弯曲损耗、连接损耗和耦合损耗。
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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 光纤的弯曲损耗有两种形式 ： 曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲， 曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲 ， 我 们习惯就叫弯曲； 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， 的微米级的弯曲 ， 这种高频弯曲 ， 我们习 惯称微弯。 惯称微弯。
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光纤的损耗特性(衰减) 一、光纤的损耗特性(衰减) (2)衰减系数 衰减系数α 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 起的光功率衰减。当长度为L时
10 P(L) a(λ ) = − lg L P(0)
(dB/km)
式中：α(λ)—在波长为 在波长为λ 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。 函数关系，其数值与选择的光纤长度无关。
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二、吸收损耗 2、杂质吸收损耗 光纤材料中氢氧根离子(OH 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， 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， 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， 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 提纯中极难消除干净，最后以OH-形式残留在 光纤内 。
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光纤的损耗特性
一、光纤的损耗特性(衰减) 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
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光纤通信是随着光纤损耗的不断降低 而发展起来的。 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。 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， 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。 起的情况。
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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 以上两种吸收带，构成了光纤的本征 吸收损耗带，它是SiO 材料本身固有的， 吸收损耗带，它是SiO2材料本身固有的， 是不可克服的， 是不可克服的，只有改变材料成分才能有 微小改变。 微小改变。
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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。 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。 光纤损耗的主要原因。光纤材料中的杂质大 致可分为两类， 致可分为两类 ， 即过渡金属离子和氢氧根 离子。 OH- 离子。
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光纤的损耗特性(衰减) 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。 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， 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。 离的确定都起着十分重要的作用。
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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 光纤弯曲时会造成模式损耗， 模变为高阶模时，使传输路径增加， 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， 增大；若传导模转换为辐射模时，造成辐 射损耗。 射损耗。
第三节
光纤的特性
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光纤的特性较多，可以归纳如下： 光纤的特性较多，可以归纳如下： 损耗 传输特性 色散 折射率分布 光学特性 数值孔径 芯径 光纤特性 外径 几何尺寸 偏心度 椭圆度 机械特性 温度特性
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其中最基本的是传输特性， 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， 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。 介绍光纤的损耗特性。
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光纤的损耗谱
损 耗 7
5 3 0.5 0.4 0.3 0.8 0.9
光纤 收峰 µm 1.25 1.38
吸 0.95
OHˉ吸收峰 ˉ
1.0 1.1 1.2
1.3 1.4 1.5 1.6
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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 通常在光纤的制造过程中， 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， 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， 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 630nm左右。 起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。
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光纤的损耗特性(衰减) 一、光纤的损耗特性(衰减) 引起光纤的损耗有很多因素。 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、 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。 散射损耗和其它损耗。
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二、吸收损耗 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 其中的杂质 (过渡金属杂质和氢氧根 OH-离子 对光波的吸收， 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。 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、 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。 损耗和原子缺陷吸收损耗三部分。
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三、散射损耗 散射是日常生活中常见的一种现象， 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， 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， 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， 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， 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， 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。 损耗的重要原因之一。
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二、吸收损耗 1、本征吸收损耗
吸收峰在0.16µm附近， 附近， 吸收峰在 附近 吸收损耗曲线已经延伸到 光纤通信波段。 光纤通信波段。
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 其附近有两种基本的吸收方式。一个是紫外吸 另一个是红外吸收。 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 级时， 光子流中的能量将被电子吸收， 起损耗。又被称为电子跃迁吸收损耗。 电子跃迁吸收损耗 起、本征吸收损耗 对于石英玻璃光纤， 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。 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。 一个是紫外吸收，另一个是红外吸收。 如下图所示。 如下图所示。