光纤的损耗特性教案(精)

红外吸收和杂质吸收。
（2）散射损耗
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。
光纤制造中，结构上的缺陷会引起与波长无关的散射损耗。
三．弯曲损耗
○ 光纤的弯曲会引起辐射损耗。 ○ 决定光纤衰减常数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗，
弯曲损耗对光纤衰减常数的影响不大 。
四．衰减系数
光纤传输特性 -损耗
1．光纤的损耗Байду номын сангаас性
光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率强 度会逐渐减弱，光纤对光波产生了衰减作用，称为光 纤的损耗。
光纤的损耗限制了光信号的传播距离。
光纤的损耗主要因素
固有损耗
○ 吸收损耗 ○ 散射损耗
弯曲损耗/外部损耗 应用损耗
1. 吸收损耗 ● 光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的损耗，包括紫外吸收、
光纤的衰减系数是指光在单位长度光纤中传输时的衰 耗量，单位一般用dB/km。它是描述光纤损耗的主要 参数。
光纤的特性
谢谢

本征吸收：是光纤基础材料（SiO2）固有吸收，与波长有关， 对于SiO2石英系光纤，主要有两个吸收带，紫外吸收带和红 光吸收带。 杂质吸收：是由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗， 例如金属过渡离子和水的氢氧根离子吸收电磁能而造成的损 耗。


散射损耗
光在通过密度或折射率等不不均匀的物质时， 除了在光的传播方向以外，在其他方向也可以 看到光，这种现象称为光的散射。 散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分 布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生 散射，由此产生的损耗为散射损耗。 散射损耗中主要是瑞利散射和结构缺陷散射对 光纤通信的影响比较大。
光纤的损耗特性及色散特性
June 2011 Alex Wang
损耗特性
光纤损耗：光波在光纤中传输，随着传输距离 的增加而光功率逐渐下降。 损耗原因：光纤本身损耗、光纤与光源的耦合 损耗以及光纤之间的连接损耗。 本身损耗：吸收损耗和散射损耗

吸收损耗

吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分变 成热能，造成光功率的损失，与光纤材料有关， 主要分为本征吸收和杂质吸收。

瑞利散射
属于光纤的本征散射损耗，主要是由于光纤材 料的折射率随机性变化而引起。 材料折射率变化是由于密度不均匀或内部应力 不均匀而产生。 瑞利散射损耗与光波长的四次方成反比，随波 长的增加而急剧减小，在短波长0.85um处对 损耗的影响最大。

结构缺陷散射

光纤在制作过程中，由于结构缺陷（如光纤中 的气泡、未发生反应的源材料以及纤芯和包层 交界处粗糙），将会产生散射损耗，与波长无 关。

色散的表示方法源自色散的大小用时延差表示。 时延是指信号传输单位长度时所需要的时间。 时延差是指不同速度的信号，传输同样的距离， 需要不同的时间，即各信号的时延不同，这种 时延上的差别，称为时延差。

高阶模功率损耗
(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。
(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。
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。

1.4 .1 .3 光纤的衰减特性
1.4.1.3.1 基本概念 衰减是光波经光纤传输后光功率减少量一种度量， 是光纤一个最重要传输参数，它取决于光纤工作窗口 和长度。
衰减：光在光纤中传输时，平均光功率沿传输光
纤长度Z方向按指数规律递减现象称为光纤衰减（或称 损耗、衰耗）。设在波长λ处，光纤长度为Z=L，衰减 定义：
使水分与光缆中的金属加强材料发生氧化反应，置换出
氢气，引起氢损。
Zn+H2O=H2↑+ZnO 其二，光纤防水石油膏（称纤膏）引入的氢气造成氢损。
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3、原子缺陷吸收衰减（非本征吸收衰减）
原子缺陷吸收衰减是由于光纤在加热过程或者在强
烈辐照下，造成玻璃材料受激产生原子缺陷吸收衰减。 从光纤拉丝成型过程角度分析，当将光纤预制棒加热到 拉丝所需温度1６00-2300℃时，采用骤冷方法进行光纤 拉丝，虽然可在光纤制造过程中，内部原子结构排列形
OH根的吸收谱（浓度10-4）
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2、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减） （3）、由氢气导致的吸收衰减 光纤在氢气氛中将会产生氢损。氢损有二种型式： A 、 H 2 分子由于扩散作用而进入光纤，当光源波长滿足 氢分子某二个能带的带隙Eg=hγ的波长时，氢分子将发 生吸收光子的作用过程，使光能量降低，由H2吸收产生 能量损耗，即称之为氢损。这种氢损是可逆的，当光纤
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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
高阶模功率损耗
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减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套
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1.4 .1 .3 光纤的衰减特性