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(gè)最重要傳輸參數(shù)，它取決于光纖工作窗口和長(zhǎng)度。 衰減：光在光纖中傳輸時(shí)，平均光功率沿傳輸光纖長(zhǎng)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(zhǎng)處，光纖長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(duì)于均勻光纖來(lái)說(shuō)，可用單位長(zhǎng)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(zhǎng)度(km)。 ()值與選擇的光纖長(zhǎng)度無(wú)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(diǎn)損耗：0.2dB/點(diǎn) 光纖熔接點(diǎn) 1點(diǎn)/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L(zhǎng)D，發(fā)出光功率10mW，光纖輸出端光探測(cè)器要求最

3、小光功率10nW，若光纖通信系統(tǒng)工作在1310nm波長(zhǎng)窗口，此時(shí)光纖衰減系數(shù)是0.3dB/Km，那么請(qǐng)問無(wú)需中繼器時(shí)，光纖通信系統(tǒng)最大無(wú)中繼距離長(zhǎng)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(wú)中繼距離長(zhǎng)度可達(dá)200Km。,6,1.4 .1 .3 光纖的衰減特性,反映光信號(hào)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(jī)理,紫外吸收區(qū),吸收損耗,吸收衰減是由于光纖對(duì)光能的固有

4、吸收并轉(zhuǎn)換成損耗引起。吸收損耗機(jī)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(jí)之間或原子在不同振動(dòng)態(tài)之間發(fā)生量子躍遷的現(xiàn)象。,10,1.4 .1 .3 .2 衰減機(jī)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(jí)間產(chǎn)生，如果光波長(zhǎng)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(zhǎng)滿足一定條件時(shí)，便會(huì)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(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能量或是轉(zhuǎn)換成動(dòng)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(duì)波長(zhǎng)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(shí)引起SiO2分子振動(dòng)共振EV、外層電子躍遷Ee、轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷Er和轉(zhuǎn)換成動(dòng)能Et引起的光能被吸收現(xiàn)象，起主要作用的是分子振動(dòng)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(dòng)有關(guān)，在這種振動(dòng)中，O原子與它們旁邊的Si不一起移動(dòng)，而是與Si-Si線平行移動(dòng)； （2）400-850/cm，Si-O-Si的彎曲振動(dòng)是主要的，在這種振動(dòng)中，O原子與Si-O-Si角的二等分線平行移動(dòng)，但在600/cm附近，存在著比例較大的Si-O-Si伸展振動(dòng)，相鄰各原子的振動(dòng)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(duì)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(huì)產(chǎn)生氫損。氫損有二種型式： A、H2分子由于擴(kuò)散作用而進(jìn)入光纖，當(dāng)光源波長(zhǎng)滿足氫分子某二個(gè)能帶

7、的帶隙Eg=h的波長(zhǎng)時(shí)，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(huì)自動(dòng)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(gè)： 其一，光纖對(duì)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)，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(shí)，繞過結(jié)晶溫度，抑制晶體成核、生長(zhǎng)，阻止結(jié)晶區(qū)的形成，但是還會(huì)有極小部分區(qū)域產(chǎn)生結(jié)晶，這是不希望的，但實(shí)際生產(chǎn)中是不可避免地，在結(jié)晶區(qū)會(huì)形成晶體常見的結(jié)構(gòu)缺陷,如：點(diǎn)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(jī)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(zhǎng)與入射光相同時(shí)，稱為彈性散射，彈性散射體尺寸小于入射光的波長(zhǎng)時(shí)，稱為瑞利散射，彈性散射體尺寸等于入射光波長(zhǎng)時(shí)而產(chǎn)生的散射稱為梅耶散射。當(dāng)散射光的波長(zhǎng)與入射光波長(zhǎng)不相同時(shí)，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(jī)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(wú)定形材料結(jié)晶、相分離、密度波動(dòng)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?yàn)樵诠饫w制造時(shí)，熔融態(tài)玻璃分子在冷卻過程中隨機(jī)的無(wú)序熱運(yùn)動(dòng)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(shí)遇到介質(zhì)不均勻或不連續(xù)的界面狀態(tài)時(shí)，在界面上發(fā)生光的

11、折射，會(huì)有一部分光散射到各個(gè)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(zhǎng)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(huì)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(shí)，溫度起伏變化、成分不均勻都會(huì)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(zhǎng)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(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)工作，瑞利損耗的影響將會(huì)減小（3m處約0.01dB/km)，但又會(huì)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(shí)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(gè)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(dòng)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(gè)方面入手： 熔煉光纖預(yù)制棒時(shí)，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(jī)。 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(jí)的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱為微彎。,1.4 .1 .3 .2 衰減機(jī)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(shí)就會(huì)產(chǎn)生輻射損耗。當(dāng)曲率半徑減小時(shí)，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(jì)算： 式中：A和B為與光纖參數(shù)（芯半徑、外徑、相對(duì)折射率差）有關(guān)的常數(shù)。通常認(rèn)為，對(duì)長(zhǎng)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(duì)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(shí)，彎曲損耗即可忽略不計(jì)。,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