1,第三節 光纖的特性,2,光纖的特性較多，可以歸納如下：,光纖特性,傳輸特性,光學特性,幾何尺寸,機械特性,溫度特性,損耗,色散,折射率分布,數值孔徑,芯徑,外徑,偏心度,橢圓度,3,其中最基本的是傳輸特性，傳輸特性包括損耗特性和色散特性，本節主要介紹光纖的損耗特性。,4,一、光纖的損耗特性(衰減) 二、吸收損耗 三、散射損耗 四、其它損耗 五、光纖的損耗特性曲線,光纖的損耗特性,5,光纖通信是隨著光纖損耗的不斷降低而發展起來的。光纖損耗是決定光纖通信中繼距離的主要因素之一。造成光纖損耗的原因很多，其損耗機理也非常復雜，接下來就以石英光纖為例分別討論各原因引起的情況。,6,一、光纖的損耗特性(衰減) 衰減是光纖的一個重要的傳輸參數。它表明了光纖對光能的傳輸損耗，其對光纖質量的評定和對光纖通信系統的中繼距離的確定都起著十分重要的作用。,7,一、光纖的損耗特性(衰減) (1)衰減 光在光纖中傳播時，平均光功率沿光纖長度按照指數規律減少，即：,式中：P(0)在L=0處注入光纖的光功率； P(L)傳輸到軸向距離L處的光功率。,(,),10,10,),0,(,),(,L,P,L,P,-a,=,8,一、光纖的損耗特性(衰減) (2)衰減系數 衰減系數，則定義為單位長度光纖引起的光功率衰減。當長度為L時,(dB/km),式中：()在波長為處的衰減系數與波長的函數關系，其數值與選擇的光纖長度無關。,9,一、光纖的損耗特性(衰減) 引起光纖的損耗有很多因素。歸納起來，光纖的損耗大致可分為吸收損耗、散射損耗和其它損耗。,10,二、吸收損耗 吸收損耗，就是由于組成光纖的材料及其中的雜質(過渡金屬雜質和氫氧根OH-離子等)對光波的吸收，使一部分光能轉變為散失的熱能，從而造成光功率的損失。 吸收損耗包括本征吸收損耗、雜質吸收損耗和原子缺陷吸收損耗三部分。,11,二、吸收損耗 1、本征吸收損耗 本征吸收即光纖材料自身的固有吸收。在不含任何雜質的純凈材料中也存在這種吸收損耗。不同的光纖材料，對光的吸收作用也不同，其主要取決于材料的原子結構，即使是同一種光纖材料，對于不同波長的光波，其吸收作用也不同。,12,二、吸收損耗 1、本征吸收損耗 對于石英玻璃光纖，本征吸收在光學波長及其附近有兩種基本的吸收方式。一個是紫外吸收，另一個是紅外吸收。如下圖所示。,13,SiO2光纖的損耗-波譜曲線,14,二、吸收損耗 1、本征吸收損耗 對于石英玻璃光纖本征吸收在光學波長及其附近有兩種基本的吸收方式。一個是紫外吸收，另一個是紅外吸收。紫外吸收是由光纖中傳輸的光子流將光纖材料中的電子激發到高能級時，光子流中的能量將被電子吸收，因而引起損耗。又被稱為電子躍遷吸收損耗。,吸收峰在0.16m附近，吸收損耗曲線已經延伸到光纖通信波段。,15,第二章 光纖與光纜4光纖的損耗特性,二、吸收損耗 1、本征吸收損耗 另一種吸收稱為紅外吸收。由于光纖材料本身原子之間的化學鍵形成晶格振動，當光纖中傳播的光波與晶格相互作用時，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，因而引起損耗。又被稱為分子振動吸收損耗。,吸收峰在812m之間，對短波長不引起損耗，1.7m時，損耗顯著增加。,16,二、吸收損耗 1、本征吸收損耗 以上兩種吸收帶，構成了光纖的本征吸收損耗帶，它是SiO2材料本身固有的，是不可克服的，只有改變材料成分才能有微小改變。,17,二、吸收損耗 2、雜質吸收損耗 雜質吸收是由于光纖中的雜質對光的吸收作用而造成的附加的吸收損耗。它是造成光纖損耗的主要原因。光纖材料中的雜質大致可分為兩類，即過渡金屬離子和氫氧根OH- 離子。,18,二、吸收損耗 2、雜質吸收損耗 光纖材料中的過渡金屬離子主要是鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻、釩等。它的形成是由于在制作光纖的原材料中，往往含有一定量的過渡金屬雜質，同時，在光纖的制造過程中，周圍環境的過渡金屬也有可能進入反應系統，增加了光纖中的過渡金屬雜質。,19,二、吸收損耗 2、雜質吸收損耗 光纖材料中氫氧根離子(OH-)的振動吸收影響較大，是造成雜質吸收損耗的主要根源，盡管它的含量可能較其它過渡離子的含量低幾個數量級。這是因為在光纖材料本身中，以及在光纖制造過程中均含有大量的水分，提純中極難消除干凈，最后以OH-形式殘留在光纖內 。,20,光纖通信波段三個吸收峰（m）：0.95、1.25和1.38。,21,二、吸收損耗 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生某個共價鍵斷裂而產生原子缺陷，此時晶格很容易在光場的作用下產生振動，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長約為630nm左右。,22,三、散射損耗 散射是日常生活中常見的一種現象，例如有一杯清水，在水杯側面用一束光照射，光會透過水杯，當把清水換成濁水時，濁水中出現亮點，光卻不能透射到水杯另一側去，其原因就是光受濁水中懸浮粒子的散射，光強發生嚴重衰減。同理，散射也是造成光纖損耗的重要原因之一。,23,三、散射損耗 光纖的散射損耗包括三方面：瑞利散射損耗、結構不完善散射損耗、非線性效應散射損耗。,24,三、散射損耗 1、瑞利散射損耗 當光波照射到比光波波長還要小的不均勻微粒時，光波將向四面八方折射，人們把這一物理現象以發現此現象的物理學家瑞利命名，稱為瑞利散射。由瑞利散射引起的損耗為瑞利散射損耗。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成了光纖損耗的極限值。它的大小與4成正比。,25,三、散射損耗 2、光纖結構不完善引起的散射損耗(波導散射損耗) 光纖制造過程中，由于工藝、技術問題以及一些隨機因素，可能造成光纖結構上的缺陷，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，這些結構上不完善處的尺寸遠大于光波波長，引起與波長無關的散射損耗。,26,界面散射的模式變換,由于結構不完善所引起的模式轉換,結構不完善引起的缺陷可隨著工藝的改進而降低到 0.010.2dB/km的范圍之內。,27,三、散射損耗 3、非線性效應散射損耗 非線性效應散射損耗主要是受激而引起的，這種散射損耗只有在很強的入射光激勵下才表現出來，而光纖通信中所使用的入射光較弱，則這種損耗甚微。,28,四、其它損耗 光纖作傳輸線使用，除了光纖本身的傳輸損耗外，還有由使用條件不當造成的損耗。由使用條件不當造成的損耗包括彎曲損耗、連接損耗和耦合損耗。,29,四、其它損耗 1、彎曲損耗 光纖的彎曲損耗有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習慣就叫彎曲；另一種是光纖的軸產生的微米級的彎曲，這種高頻彎曲，我們習慣稱微彎。,30,四、其它損耗 1、彎曲損耗 在光纜的生產接續和施工過程中，不可避免的出現彎曲。它的損耗機理如圖所示。,31,光纖彎曲的損耗機理,若沒有發生彎曲，則入射角為900 2，現在發生彎曲，入射角為900 1，而2小于1，所以入射角減小，若不能發生全反射，則由傳導模變為輻射模，封閉在光纖中的光消失，能量損失，從而引起損耗。若仍能發生全反射，則將變為高階模，損耗增大。,32,四、其它損耗 1、彎曲損耗 光纖彎曲時會造成模式損耗，如低階模變為高階模時，使傳輸路徑增加，損耗增大；若傳導模轉換為輻射模時，造成輻射損耗。,33,四、其它損耗 1、彎曲損耗 在敷設和連接光纜時，必須考慮彎曲半徑不要小于光纖的容許彎曲半徑。光纖損耗的最小曲率半徑為：,式中：a為光纖的纖芯半徑，為相對折射率差。,一般情況下，光纖的彎曲半徑大于10cm時，光纖的彎曲損耗可以小到忽略不計。,34,四、其它損耗 1、彎曲損耗 微彎是由于光纖受到側壓力和套塑光纖遇到溫度變化時，光纖的纖芯包層和套塑的熱脹系數不一致而起，其損耗的減小，依賴于對光纖結構的合理設計。如增大值等，可以提高光纖的抗微彎能力。,35,四、其它損耗 2、連接損耗 它是因兩根光纖在連接時產生的，即由于被連接的兩根光纖的端面發生空間錯位(軸向錯位、橫向錯位以及因端面傾斜而引起拼接彎折)而產生的損耗。通常軸向錯位引起的損耗不太大，而橫向錯位和彎折引起的損耗較大。,36,四、其它損耗 3、耦合損耗 它是由于激光源和光電檢測器與光纖之間的耦合產生的損耗。,37,五、光纖的損耗特性曲線 至此，我們已經介紹了引起光纖損耗的幾個主要因素，光纖損耗是這些因素影響的總的反映。作為總結，我們來看看SiO2光纖損耗的波譜圖，如圖所示，它比較全面地表達了各種損耗特性。,38,SiO2光纖的損耗-波譜曲線,39,分析得出： 1、紫外吸收和紅外吸收：當光子包含的能量足以激勵玻璃材