光纖的損耗特性.ppt

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1、第三章光纖中的信號劣化3.1光纖的損耗特性3.2光纖的色散特性3.4單模光纖的優(yōu)化設(shè)計相關(guān)問題：光纖中信號衰減的機理是什么樣的？為什么光信號在光纖中傳播的時候會產(chǎn)生失真？失真會嚴(yán)重到什么程度？即使是最好的光纖，光從它的一端傳到另一端，強度也會有所減弱。光纖中的信號劣化與光纖的傳輸特性有關(guān)。光纖的傳輸特性主要是指光纖的損耗特性、色散特性和非線性特性。3.1光纖的損耗特性光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強度逐漸減弱，光纖對光波產(chǎn)生衰減作用，稱為光纖的損耗（或衰減）。光纖的損耗限制了光信號的傳播距離。光纖的損耗主要取決于吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗

2、三種損耗。3.1.1吸收損耗吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子(OH－)等雜質(zhì)對光的吸收而產(chǎn)生的損耗，包括:本征吸收損耗雜質(zhì)吸收損耗原子缺陷吸收損耗1.本征吸收損耗本征吸收損耗在光學(xué)波長及其附近有兩種基本的吸收方式。(1)紫外吸收損耗紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級激發(fā)到高能級時，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。吸收峰在0.16?m,尾巴延伸至光纖通信波段,在短波長區(qū)達1dB/km,長波長區(qū)約0.05dB/km。(2)紅外吸收損耗紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時

3、，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起的損耗。Si-O鍵振動吸收,諧振吸收峰在9.1、12.5、21?m，尾巴延伸至1.5~1.7?m，造成光纖工作波長的上限。2.雜質(zhì)吸收損耗光纖中的有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH－。OH離子吸收：O-H鍵的基本諧振波長為2.73?m，與Si-O鍵的諧振波長相互影響，在光纖通信波段內(nèi)產(chǎn)生一系列的吸收峰，影響較大的是在1.39、1.24、0.95?m，峰之間的低損耗區(qū)構(gòu)成了光纖通信的三個窗口。金屬離子吸收：金屬雜質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的邊帶吸收峰（0.5~1.1?m)，目前雜質(zhì)含量低于1

4、0-9，其影響已可忽略。OH－吸收峰解決方法：(1)對制造光纖的材料進行嚴(yán)格的化學(xué)提純，比如材料達到99.9999999%的純度(2)制造工藝上改進，如避免使用氫氧焰加熱(汽相軸向沉積法)3.原子缺陷吸收損耗通常在光纖的制造過程中，光纖材料受到某種熱激勵或光輻射時將會發(fā)生某個共價鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時晶格很容易在光場的作用下產(chǎn)生振動，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長約為630nm左右。1rad(Si)=0.01J/kg800人死亡光纖吸收損耗曲線摻GeO2的低損耗、低OHˉ含量石英光纖OH－0.154dB/km幾種摻雜成分不同的光纖的損耗比較3

5、.1.2散射損耗空氣中浮游著無數(shù)的煙霧、塵粒，光照射到這些微粒上，微粒把光朝四面八方散射，微粒越多，光柱越亮，光的散射損耗越大，照射的距離也就越短。這種散射叫分子散射。一切物質(zhì)都由分子構(gòu)成，光纖材料也不例外，所以散射損耗不可避免。另有一種散射是由光纖材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不完整所引起，比如光纖中有氣泡、雜質(zhì)，粗細(xì)不均勻，特別是纖芯包層的界面不平滑，光傳輸?shù)竭@里，也會被散射到各個方面。1.線性散射損耗任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無缺的，無論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗，由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模

6、式的功率成線性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。(1)瑞利散射由于材料的不均勻使光信號向四面八方散射而引起的損耗稱為瑞利散射損耗。瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。光纖在加熱制造過程中的熱騷動，造成材料密度不均勻，進而造成折射率的不均勻（比光波長小的尺度上的隨機變化），引起光的散射--瑞利散射。大小與?4成反比。在1.55?m波段，瑞利散射引起的損耗仍達0.12~0.16dB/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

7、約0.01dB/km)，但受限于石英光纖的材料損耗（紅外吸收）。采用新型材料的光纖可望在遠(yuǎn)紅外區(qū)域獲得更低的損耗－氟化物光纖。(2)波導(dǎo)散射損耗在光纖制造過程中，由于工藝、技術(shù)問題以及一些隨機因素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等等。光纖芯徑沿軸向不均勻（大于光波長尺度）造成導(dǎo)模和輻射模間的能量耦合，使能量從導(dǎo)模轉(zhuǎn)移到輻射模，造成波導(dǎo)散射損耗（又稱米氏散射），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，可以忽略。2.非線性散射損耗光纖中存在兩種非

8、線性散射，它們都與石英光纖的振動激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射和受