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1、第二章光纤的损耗特性本讲稿第一页，共三十八页1 1光纤的特性较多，可以归纳如下：光纤的特性较多，可以归纳如下：光纤特性光纤特性传输特性传输特性光学特性光学特性几何尺寸几何尺寸机械特性机械特性温度特性温度特性损耗损耗色散色散折射率分布折射率分布数值孔径数值孔径芯径芯径外径外径偏心度偏心度椭圆度椭圆度本讲稿第二页，共三十八页2 2 其其中中最最基基本本的的是是传传输输特特性性，传传输输特特性性包包括括损损耗耗特特性性和和色色散散特特性性，本本节节主主要要介介绍绍光光纤纤的损耗特性。的损耗特性。本讲稿第三页，共三十八页3 3一、光纤的损耗特性一、光纤的损耗特性(衰减衰减)二、吸收损耗二、吸收损耗三、
2、散射损耗三、散射损耗四、其它损耗四、其它损耗五、光纤的损耗特性曲线五、光纤的损耗特性曲线光纤的损耗特性光纤的损耗特性本讲稿第四页，共三十八页4 4 光光纤纤通通信信是是随随着着光光纤纤损损耗耗的的不不断断降降低低而而发发展展起起来来的的。光光纤纤损损耗耗是是决决定定光光纤纤通通信信中中继继距距离离的的主主要要因因素素之之一一。造造成成光光纤纤损损耗耗的的原原因因很很多多，其其损损耗耗机机理理也也非非常常复复杂杂，接接下下来来就就以以石英光纤为例分别讨论各原因引起的情况。石英光纤为例分别讨论各原因引起的情况。本讲稿第五页，共三十八页5 5一、光纤的损耗特性一、光纤的损耗特性(衰减衰减)衰衰减减是
3、是光光纤纤的的一一个个重重要要的的传传输输参参数数。它它表表明明了了光光纤纤对对光光能能的的传传输输损损耗耗，其其对对光光纤纤质质量量的的评评定定和和对对光光纤纤通通信信系系统统的的中中继继距距离离的的确确定定都都起起着十分重要的作用。着十分重要的作用。本讲稿第六页，共三十八页6 6一、光纤的损耗特性一、光纤的损耗特性(衰减衰减)(1)(1)衰减衰减 光在光纤中传播时，平均光功率沿光纤长度按照光在光纤中传播时，平均光功率沿光纤长度按照指数规律减少，即：指数规律减少，即：式中：式中：P(0)P(0)在在L=0L=0处注入光纤的光功率；处注入光纤的光功率；P(L)P(L)传输到轴向距离传输到轴向距
4、离L L处的光功率。处的光功率。()1010)0()(LPLP-a-a=本讲稿第七页，共三十八页7 7一、光纤的损耗特性一、光纤的损耗特性(衰减衰减)(2)(2)衰减系数衰减系数 衰减系数衰减系数，则定义为单位长度光纤引起，则定义为单位长度光纤引起的光功率衰减。当长度为的光功率衰减。当长度为L L时时(dB/km)式中：式中：()()在波长为在波长为处的衰减系数与波长的函数处的衰减系数与波长的函数关系，其数值与选择的光纤长度无关。关系，其数值与选择的光纤长度无关。()()()0lg10PLPLa-=l l本讲稿第八页，共三十八页8 8一、光纤的损耗特性一、光纤的损耗特性(衰减衰减)引引起起光光
5、纤纤的的损损耗耗有有很很多多因因素素。归归纳纳起起来来，光光纤纤的的损损耗耗大大致致可可分分为为吸吸收收损损耗耗、散散射射损损耗耗和其它损耗。和其它损耗。本讲稿第九页，共三十八页9 9二、吸收损耗二、吸收损耗 吸吸收收损损耗耗，就就是是由由于于组组成成光光纤纤的的材材料料及及其其中中的的杂杂质质(过过渡渡金金属属杂杂质质和和氢氢氧氧根根OHOH-离离子子等等)对对光光波波的的吸吸收收，使使一一部部分分光光能能转转变变为为散散失失的的热热能能，从从而造成光功率的损失。而造成光功率的损失。吸吸收收损损耗耗包包括括本本征征吸吸收收损损耗耗、杂杂质质吸吸收收损损耗和原子缺陷吸收损耗三部分。耗和原子缺陷
6、吸收损耗三部分。本讲稿第十页，共三十八页1010二、吸收损耗二、吸收损耗 1 1、本征吸收损耗、本征吸收损耗 本本征征吸吸收收即即光光纤纤材材料料自自身身的的固固有有吸吸收收。在在不不含含任任何何杂杂质质的的纯纯净净材材料料中中也也存存在在这这种种吸吸收收损损耗耗。不不同同的的光光纤纤材材料料，对对光光的的吸吸收收作作用用也也不不同同，其其主主要要取取决决于于材材料料的的原原子子结结构构，即即使使是是同同一一种种光光纤纤材材料料，对对于于不同波长的光波，其吸收作用也不同。不同波长的光波，其吸收作用也不同。本讲稿第十一页，共三十八页1111二、吸收损耗二、吸收损耗 1 1、本征吸收损耗、本征吸收
7、损耗 对对于于石石英英玻玻璃璃光光纤纤，本本征征吸吸收收在在光光学学波波长长及及其其附附近近有有两两种种基基本本的的吸吸收收方方式式。一一个个是是紫紫外外吸吸收收，另另一一个个是是红红外外吸吸收收。如如下下图所示。图所示。本讲稿第十二页，共三十八页1212SiO2光纤的损耗光纤的损耗-波谱曲线波谱曲线本讲稿第十三页，共三十八页1313二、吸收损耗二、吸收损耗 1 1、本征吸收损耗、本征吸收损耗 对对于于石石英英玻玻璃璃光光纤纤本本征征吸吸收收在在光光学学波波长长及及其其附附近近有有两两种种基基本本的的吸吸收收方方式式。一一个个是是紫紫外外吸吸收收，另另一一个个是是红红外外吸吸收收。紫紫外外吸吸
8、收收是是由由光光纤纤中中传传输输的的光光子子流流将将光光纤纤材材料料中中的的电电子子激激发发到到高高能能级级时时，光光子子流流中中的的能能量量将将被被电电子子吸吸收收，因因而而引引起起损损耗耗。又又被被称称为为电电子子跃跃迁迁吸吸收损耗。收损耗。吸收峰在吸收峰在0.16m附近，吸收损附近，吸收损耗曲线已经延伸到光纤通信波耗曲线已经延伸到光纤通信波段。段。本讲稿第十四页，共三十八页1414 第二章第二章 光纤与光缆光纤与光缆4光纤的损耗特性光纤的损耗特性 二、吸收损耗二、吸收损耗 1 1、本征吸收损耗、本征吸收损耗 另另一一种种吸吸收收称称为为红红外外吸吸收收。由由于于光光纤纤材材料料本本身身原
9、原子子之之间间的的化化学学键键形形成成晶晶格格振振动动，当当光光纤纤中中传传播播的的光光波波与与晶晶格格相相互互作作用用时时，一一部部分分光光波波能能量量传传递递给给晶晶格格，使使其其振振动动加加剧剧，因因而而引引起起损损耗耗。又又被被称为分子振动吸收损耗。称为分子振动吸收损耗。吸收峰在吸收峰在812m之间，对短波长不引起之间，对短波长不引起损耗，损耗，1.7m时，损耗显著增加时，损耗显著增加。本讲稿第十五页，共三十八页1515二、吸收损耗二、吸收损耗 1 1、本征吸收损耗、本征吸收损耗 以上两种吸收带，构成了光纤的以上两种吸收带，构成了光纤的本征吸收本征吸收损耗带损耗带，它是，它是SiOSi
10、O2 2材料本身固有的，是不可克服材料本身固有的，是不可克服的，只有改变材料成分才能有微小改变。的，只有改变材料成分才能有微小改变。本讲稿第十六页，共三十八页1616二、吸收损耗二、吸收损耗 2 2、杂质吸收损耗、杂质吸收损耗 杂杂质质吸吸收收是是由由于于光光纤纤中中的的杂杂质质对对光光的的吸吸收收作作用用而而造造成成的的附附加加的的吸吸收收损损耗耗。它它是是造造成成光光纤纤损损耗耗的的主主要要原原因因。光光纤纤材材料料中中的的杂杂质质大大致致可可分分为为两两类类，即过渡金属离子和氢氧根即过渡金属离子和氢氧根OHOH-离子。离子。本讲稿第十七页，共三十八页1717二、吸收损耗二、吸收损耗 2
11、2、杂质吸收损耗、杂质吸收损耗 光光纤纤材材料料中中的的过过渡渡金金属属离离子子主主要要是是铁铁、钴钴、镍镍、铜铜、锰锰、铬铬、钒钒等等。它它的的形形成成是是由由于于在在制制作作光光纤纤的的原原材材料料中中，往往往往含含有有一一定定量量的的过过渡渡金金属属杂杂质质，同同时时，在在光光纤纤的的制制造造过过程程中中，周周围围环环境境的的过过渡渡金金属属也也有有可可能进入反应系统，增加了光纤中的过渡金属杂质。能进入反应系统，增加了光纤中的过渡金属杂质。本讲稿第十八页，共三十八页1818二、吸收损耗二、吸收损耗 2 2、杂质吸收损耗、杂质吸收损耗 光光纤纤材材料料中中氢氢氧氧根根离离子子(OH(OH-
12、)的的振振动动吸吸收收影影响响较较大大，是是造造成成杂杂质质吸吸收收损损耗耗的的主主要要根根源源，尽尽管管它它的的含含量量可可能能较较其其它它过过渡渡离离子子的的含含量量低低几几个个数数量量级级。这这是是因因为为在在光光纤纤材材料料本本身身中中，以以及及在在光光纤纤制制造造过过程程中中均均含含有有大大量量的的水水分分，提提纯纯中中极极难消除干净，最后以难消除干净，最后以OHOH-形式残留在光纤内形式残留在光纤内 。本讲稿第十九页，共三十八页1919光纤的损耗谱光纤的损耗谱 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 (m)(m)0.30.40.5357OH吸收峰吸收
13、峰损损耗耗光纤通信波段三个吸光纤通信波段三个吸收峰（收峰（m）：）：0.95、1.25和和1.38。本讲稿第二十页，共三十八页2020二、吸收损耗二、吸收损耗 3 3、原子缺陷吸收损耗、原子缺陷吸收损耗 通通常常在在光光纤纤的的制制造造过过程程中中，光光纤纤材材料料受受到到某某种种热热激激励励或或光光辐辐射射时时将将会会发发生生某某个个共共价价键键断断裂裂而而产产生生原原子子缺缺陷陷，此此时时晶晶格格很很容容易易在在光光场场的的作作用用下下产产生生振振动动，从从而而吸吸收收光光能能，引引起起损损耗耗，其峰值吸收波长约为其峰值吸收波长约为630nm630nm左右。左右。本讲稿第二十一页，共三十八
14、页2121三、散射损耗三、散射损耗 散散射射是是日日常常生生活活中中常常见见的的一一种种现现象象，例例如如有有一一杯杯清清水水，在在水水杯杯侧侧面面用用一一束束光光照照射射，光光会会透透过过水水杯杯，当当把把清清水水换换成成浊浊水水时时，浊浊水水中中出出现现亮亮点点，光光却却不不能能透透射射到到水水杯杯另另一一侧侧去去，其其原原因因就就是是光光受受浊浊水水中中悬悬浮浮粒粒子子的的散散射射，光光强强发发生生严严重重衰衰减减。同同理，散射也是造成光纤损耗的重要原因之一。理，散射也是造成光纤损耗的重要原因之一。本讲稿第二十二页，共三十八页2222三、散射损耗三、散射损耗 光光纤纤的的散散射射损损耗耗
15、包包括括三三方方面面：瑞瑞利利散散射射损损耗耗、结结构构不不完完善善散散射射损损耗耗、非非线线性性效效应应散散射损耗。射损耗。本讲稿第二十三页，共三十八页2323三、散射损耗三、散射损耗 1 1、瑞利散射损耗、瑞利散射损耗 当当光光波波照照射射到到比比光光波波波波长长还还要要小小的的不不均均匀匀微微粒粒时时，光光波波将将向向四四面面八八方方折折射射，人人们们把把这这一一物物理理现现象象以以发发现现此此现现象象的的物物理理学学家家瑞瑞利利命命名名，称称为为瑞瑞利利散散射射。由由瑞瑞利利散散射射引引起起的的损损耗耗为为瑞瑞利利散散射射损损耗耗。瑞瑞利利散散射射损损耗耗也也是是一一种种本本征征损损耗
16、耗，它它和和本本征征吸吸收收损损耗耗一一起起构构成了光纤损耗的极限值。它的大小与成了光纤损耗的极限值。它的大小与4 4成正比。成正比。本讲稿第二十四页，共三十八页2424三、散射损耗三、散射损耗 2 2、光光纤纤结结构构不不完完善善引引起起的的散散射射损损耗耗(波波导导散散射射损耗损耗)光光纤纤制制造造过过程程中中，由由于于工工艺艺、技技术术问问题题以以及及一一些些随随机机因因素素，可可能能造造成成光光纤纤结结构构上上的的缺缺陷陷，如如光光纤纤的的纤纤芯芯和和包包层层的的界界面面不不完完整整、芯芯径径变变化化、圆圆度度不不均均匀匀、光光纤纤中中残残留留气气泡泡和和裂裂痕痕等等，这这些些结结构构
17、上上不不完完善善处处的的尺尺寸寸远远大大于于光光波波波波长长，引引起起与与波波长长无无关关的的散散射射损耗。损耗。本讲稿第二十五页，共三十八页2525界面散射的模式变换界面散射的模式变换 辐射模辐射模由于结构不完善所引起的模式转换由于结构不完善所引起的模式转换结构不完善引起的缺陷可随着工艺的改进而降低到结构不完善引起的缺陷可随着工艺的改进而降低到0.010.010.2dB/km0.2dB/km的范围之内。的范围之内。传导波传导波模变换后模变换后的传导波的传导波本讲稿第二十六页，共三十八页2626三、散射损耗三、散射损耗 3 3、非线性效应散射损耗、非线性效应散射损耗 非非线线性性效效应应散散射
18、射损损耗耗主主要要是是受受激激而而引引起起的的，这这种种散散射射损损耗耗只只有有在在很很强强的的入入射射光光激激励励下下才才表表现现出出来来，而而光光纤纤通通信信中中所所使使用用的的入入射射光光较较弱弱，则则这这种损耗甚微。种损耗甚微。本讲稿第二十七页，共三十八页2727四、其它损耗四、其它损耗 光光纤纤作作传传输输线线使使用用，除除了了光光纤纤本本身身的的传传输输损损耗耗外外，还还有有由由使使用用条条件件不不当当造造成成的的损损耗耗。由由使使用用条条件件不不当当造造成成的的损损耗耗包包括括弯弯曲曲损损耗耗、连连接接损耗和耦合损耗。损耗和耦合损耗。本讲稿第二十八页，共三十八页2828四、其它损
19、耗四、其它损耗 1 1、弯曲损耗、弯曲损耗 光光纤纤的的弯弯曲曲损损耗耗有有两两种种形形式式：一一种种是是曲曲率率半半径径比比光光纤纤的的直直径径大大得得多多的的弯弯曲曲，我我们们习习惯惯就就叫叫弯弯曲曲；另另一一种种是是光光纤纤的的轴轴产产生生的的微微米米级级的的弯弯曲，这种高频弯曲，我们习惯称微弯。曲，这种高频弯曲，我们习惯称微弯。本讲稿第二十九页，共三十八页2929四、其它损耗四、其它损耗 1 1、弯曲损耗、弯曲损耗 在在光光缆缆的的生生产产接接续续和和施施工工过过程程中中，不不可可避避免免的的出出现现弯弯曲曲。它它的的损损耗耗机机理理如如图所示。图所示。本讲稿第三十页，共三十八页303
20、0光纤弯曲的损耗机理光纤弯曲的损耗机理 若没有发生弯曲，则入射角为若没有发生弯曲，则入射角为90900 0 2 2，现在发生弯曲，入，现在发生弯曲，入射角为射角为90900 0 1 1，而，而 2 2小于小于 1 1，所以入射角减小，若不能发生，所以入射角减小，若不能发生全反射，则由传导模变为辐射模，封闭在光纤中的光消失，能全反射，则由传导模变为辐射模，封闭在光纤中的光消失，能量损失，从而引起损耗。若仍能发生全反射，则将变为高阶模，量损失，从而引起损耗。若仍能发生全反射，则将变为高阶模，损耗增大。损耗增大。1 2本讲稿第三十一页，共三十八页3131四、其它损耗四、其它损耗 1 1、弯曲损耗、弯
21、曲损耗 光光纤纤弯弯曲曲时时会会造造成成模模式式损损耗耗，如如低低阶阶模模变变为为高高阶阶模模时时，使使传传输输路路径径增增加加，损损耗耗增增大大；若传导模转换为辐射模时，造成辐射损耗。若传导模转换为辐射模时，造成辐射损耗。本讲稿第三十二页，共三十八页3232四、其它损耗四、其它损耗 1 1、弯曲损耗、弯曲损耗 在敷设和连接光缆时，必须考虑弯曲半径不在敷设和连接光缆时，必须考虑弯曲半径不要小于光纤的容许弯曲半径。光纤损耗的最小曲要小于光纤的容许弯曲半径。光纤损耗的最小曲率半径为：率半径为：式中：式中：a a为光纤的纤芯半径，为光纤的纤芯半径，为相对折射率差。为相对折射率差。2minD D=aR
22、 一般情况下，光纤的弯曲半径一般情况下，光纤的弯曲半径大于大于10cm10cm时，光纤时，光纤的弯曲损耗可以小到忽略不计。的弯曲损耗可以小到忽略不计。本讲稿第三十三页，共三十八页3333四、其它损耗四、其它损耗 1 1、弯曲损耗、弯曲损耗 微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯包层和套塑的热胀系数不一度变化时，光纤的纤芯包层和套塑的热胀系数不一致而起，其损耗的减小，依赖于对光纤结构的合理致而起，其损耗的减小，依赖于对光纤结构的合理设计。如增大设计。如增大值等，可以提高光纤的抗微弯能力。值等，可以提高光纤的抗微弯能力。本讲稿第三十四页
23、，共三十八页3434四、其它损耗四、其它损耗 2 2、连接损耗、连接损耗 它它是是因因两两根根光光纤纤在在连连接接时时产产生生的的，即即由由于于被被连连接接的的两两根根光光纤纤的的端端面面发发生生空空间间错错位位(轴轴向向错错位位、横横向向错错位位以以及及因因端端面面倾倾斜斜而而引引起起拼拼接接弯弯折折)而而产产生生的的损损耗耗。通通常常轴轴向向错错位位引引起起的的损损耗耗不太大，而横向错位和弯折引起的损耗较大。不太大，而横向错位和弯折引起的损耗较大。本讲稿第三十五页，共三十八页3535四、其它损耗四、其它损耗 3 3、耦合损耗、耦合损耗 它它是是由由于于激激光光源源和和光光电电检检测测器器与与光光纤之间的耦合产生的损耗。纤之间的耦合产生的损耗。本讲稿第三十六页，共三十八页3636五、光纤的损耗特性曲线五、光纤的损耗特性曲线 至至此此，我我们们已已经经介介绍绍了了引引起起光光纤纤损损耗耗的的几几个个主主要要因因素素，光光纤纤损损耗耗是是这这些些因因素素影影响响的的总总的的反反映映。作作为为总总结结，我我们们来来看看看看SiOSiO2 2光光纤纤损损耗耗的的波波谱谱图图，如如图所示，它比较全面地表达了各种损耗特性。图所示，它比较全面地表达了各种损耗特性。本讲稿第三十七页，共三十八页3737SiO2光纤的损耗光纤的损耗-波谱曲线波谱曲线本讲稿第三十八页，共三十八页3838