光纤的损耗特性

      光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性和色散特性。此外还有光纤的非线性效应。
1. 光纤的损耗特性
       光波在光纤中传输时.随着传输距离的增加,光功率会不断下降。光纤对光波产生的衰减作用称为光纤的损耗。衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数(损耗系数)a,定义为单位长度光纤引起的光功率衰减,其表达式为
式(9-16)中.a(λ)为在波长义处的衰减系数;P1为输入光纤的光功率:P0为光纤输出的光功率;L为光纤的长度。
       光纤的损耗特性是光纤的一个很重要的传输参数,它对于评价光纤质量和确定光纤通信系统的中继距离有着决定性的作用。目前光纤在1.55μm处的损耗可以做到0.2dB/km左右。接近光纤损耗的理论极限值。
光纤损耗
(1)引起光纤损耗的因素
       光纤的损耗因素主要有吸收损耗、散射损耗和其他损耗。这些损耗又可以归纳为本征损耗、制造损耗和附加损耗等。
       本征损耗是指光纤材料固有的一种损耗,是无法避免的,它决定了光纤的损耗极限。石英光纤的本征损耗包括光纤的本征吸收和瑞利散射造成的损耗。本征吸收是石英材料本身固有的吸收,包括红外吸收和紫外吸收。红外吸收是由于分子震动引起的,它在1500〜1700nm波长区对光纤通信有影响;紫外吸收是由于电子跃迁引起的,它在700〜1100nm波长区对光纤通信有影响。瑞利散射是由于光纤折射率在微观上的随机起伏所引起的,这种材料折射率的不均匀性使光波产生散射。瑞利散射在600-1600nm波段对光纤通信产生影响。
       光纤制造损耗是在制造光纤的工艺过程中产生的,主要由光纤中不纯成分的吸收一杂质吸收和光纤的结构缺陷引起。杂质吸收中影响较大的是各种过渡金属离子和OH离子导致的光的损耗。其中OH离子的影响比较大,它的吸收峰分别位于950nm、l240nm和1390nm,对光纤通信系统影响较大。随着光纤制造工艺的日趋完善,过渡金属的影响已不显著,最好的工艺已可以使OH一离子在1390nm处的损耗降低到0.04dB/km,甚至小到可忽略不计的程度。此外,光纤结构的不完善会带来散射损耗。
       附加损耗是在光纤成缆之后出现的损耗,主要是由于光纤受到弯曲或微弯时.使得光产生了泄漏,造成光损耗。
光纤损耗
       除上述三类损耗外,在光纤的使用中还会存在连接损耗、耦合损耗,如果光纤中入射光功率超出某值时还会有非线性效应带来的散射损耗。
(2)光纤的损耗特性曲线一损耗谱
      将以上三类损耗相加就可以得到总的损耗,它是一条随波长而变化的曲线,叫做光纤的损耗特性曲线一损耗谱。
      如图8为石英光纤的损耗谱曲线。从图中可以看到光纤通信所使用的三个低损耗“窗口"一三个低损耗谷,它们分别是850nm波段一短波长波段、1310nm波段和1550nm波段一长波长波段。目前光纤通信系统主要工作在1310nm波段和1550nm波段上,尤其是1550nm波段,长距离大容量的光纤通信系统多工作在这一波段。
石英光纤损坏示意图
图8   石英光纤损耗谱示意图
        光纤的损耗谱形象地描绘了衰减系数与波长的关系。从光纤损耗谱可以看出,衰减系数随波长的增大呈降低趋势;损耗的峰值主要与OH-离子有关。另外,波长大于1600nm时损耗增大的原因是由于石英玻璃的吸收损耗和微(或宏)观弯曲损耗引起的。目前光纤的制造工艺可以消除光纤在1390nm附近的OH离子的吸收峰,使光纤在整个1300nm〜1600nm波段都有很低的损耗。
 

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