光纤的损耗特性

OH－吸收峰
解决方法： (1)对制造光纤的材料进行严格的化学 提纯，比如材料达到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.
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，其峰值吸收波长约为630nm左右。
800
人死亡 1 rad(Si) = 0.01 J/kg
光纤吸收损耗曲线
掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤
几种掺杂成分不同的光纤的损耗比较
OH－
0.154 dB/km
3.1.2 散射损耗
空气中浮游着无数的烟雾、尘粒，光照 射到这些微粒上，微粒把光朝四面八方散 射，微粒越多，光柱越亮，光的散射损耗 越大，照射的距离也就越短。这种散射叫 分子散射。一切物质都由分子构成，光纤 材料也不例外，所以散射损耗不可避免。 另有一种散射是由光纤材料的内部结构 不完整所引起，比如光纤中有气泡、杂质， 粗细不均匀，特别是纤芯包层的界面不平 滑，光传输到这里，也会被散射到各个方 面。
3.1 光纤的损耗特性
光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，
而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减
作用，称为光纤的损耗（或衰减）。
光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光
纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯
曲损耗三种损耗。
3.1.1
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 (OH－) 等杂质对光的吸收而产生的 损耗，包括:
2. 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，分别为
受激喇曼散射和受激布里渊散射。
3.1.3
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。
宏弯：在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避
(2) 波导散射损耗
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，如光纤的纤 芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光 纤中残留气泡和裂痕等等。
光纤芯径沿轴向不均匀（大于光波长尺度）造成导 模和辐射模间的能量耦合，使能量从导模转移到辐射 模，造成波导散射损耗（又称米氏散射），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<0.03 dB/km，可以忽略。
高阶模功率损耗
免地出现弯曲。光纤Leabharlann Baidu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。
场分布
Cladding
q < q q q > qc q
消逝场
Core
q q
R
高阶模比低阶模容易发生宏弯损耗，因此有时可用弯曲的办法滤掉高阶模
微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光
纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层
(2)
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。 Si-O键振动吸收,谐振吸收峰在 9.1、12.5、21 m，尾巴延伸至1.5~1.7 m，造成光纤工作波长的上限。
2. 杂质吸收损耗
光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬 等和OH－。 OH离子吸收： O-H键的基本谐振波长为2.73 m，与Si-O键的谐振波 长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在 1.39、1.24、0.95 m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。 金属离子吸收：金属杂质的电子结构产生的边带吸收峰（0.5~1.1 m)， 目前杂质含量低于10-9，其影响已可忽略。
第三章 光纤中的信号劣化
3.1 光纤的损耗特性 3.2 光纤的色散特性
3.4 单模光纤的优化设计
相关问题：


光纤中信号衰减的机理是什么样的？ 为什么光信号在光纤中传播的时候会 产生失真？ 失真会严重到什么程度？
即使是最好的光纤，光从它的一端传到 另一端，强度也会有所减弱。光纤中的信 号劣化与光纤的传输特性有关。光纤的传 输特性主要是指光纤的损耗特性、色散特 性和非线性特性。
和套塑的热膨胀系数不一致而引起的，
其损耗机理和弯曲一致，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
低阶模功率耦合到高阶模
1. 2. 3.
本征吸收损耗 杂质吸收损耗 原子缺陷吸收损耗
1.
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。 (1) 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。吸收峰在0.16m, 尾巴延伸至光纤通信波段 , 在短波长区达 1dB/km,长波长区约0.05 dB/km。
1. 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。
(1)
由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的损 耗称为瑞利散射损耗。 瑞利散射是一种最基本的散射过程， 属于固有散射。瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本 征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。 光纤在加热制造过程中的热骚动，造成材料密度不均匀， 进而造成折射率的不均匀（比光波长小的尺度上的随机变 化），引起光的散射--瑞利散射。大小与4成反比。在1.55 m波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.12~0.16 dB/km，仍 是该波段损耗的主要原因。显然，若能在更长波长区域内 工作，瑞利损耗的影响将会减小（3 m处约0.01 dB/km)， 但受限于石英光纤的材料损耗（红外吸收）。采用新型材 料的光纤可望在远红外区域获得更低的损耗－氟化物光纤。