光纤技术及应用---第四章解析

2020/10/27
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图4.1-2，从石英光纤的损耗谱曲线可以看到光纤通信所 使用的三个低损耗“窗口”——三个低损耗谷，它们分别是 850 nm波段——短波长波段、1310nm波段和1550nm波段— —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。
声子就是“晶格振动的简正模能量量子。”英文是phonon
------固体物理中的晶格振动。
(b)杂质吸收 由于材料不纯或工艺不完善而引入的杂质，而不是与光纤折
射率有关的故意掺杂物。
如：在光纤制造过程中掺入了过渡金属和水分，就会引起非常 大的吸收。
光纤材料中含有过渡族金属如铁、铜、铬等，它们有各自的 吸收峰和吸收带并随它们价态不同而不同。由过渡金属离子吸 收引起的光纤损耗取决于它们的浓度。
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光纤的损耗特性曲线——损耗谱（损耗与波长的关系） 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。目前，光纤的制造工艺可以 消除光纤在1385nm附近的0H-离子的吸收峰，使光纤在整个 1300～1600nm波段都有很低的损耗。
其中1310nm窗口的优点是它接近于光纤材料色散为零的波 长。
光纤的衰减
(dB/km)
衰6 减5
4 3 2 1
第一窗口 OH-
第二窗口
OHOH-
水峰值 第三窗口
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 λ nm
光纤的衰减图
（2）散射损耗
散射损耗是由于光纤材料的不均匀引起光的散射，其散射 光的大部分不能满足导模条件，称为辐射模而导致损耗。
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（3）弯曲损耗
弯曲损耗可以分为：宏弯损耗和微弯损耗
宏弯：指肉眼可见的明显弯曲，如光缆连接处的光纤弯曲。 宏弯损耗：原来接近全反射临界角传输的高阶导模，在光纤弯 曲部分其入射角将小于全反射临界角，故转换成辐射模而损耗。 弯曲曲率半径越小，弯曲损耗越大。
微弯：是指光纤局部产生的微小畸变，其曲率半径与光纤的横 截面尺寸相当，主要是光纤制造和成缆过程中产生的一种随机 缺陷。也是使部分高阶导模不再满足全反射条件而成为辐射莫， 从而产生损耗。
第四章 光纤的传输特性
光纤作为光通信的传输介质，从通信角度来看，主要关心光纤 的以下几个传输特性：
(1)损耗：只有衰减小到一定程度才可能做长距离通信使用；
(2)色散：色散小，脉冲展宽小，从而要求光纤有较小的色散， 才可能以高速率传输信号或者说有较大的通信容量。
另外，随着光纤通信的发展，光纤的偏振特性和非线性效应对 光信号的传输也有较大的影响。
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。
（1）紫外（10~400nm）吸收 光纤损耗 光纤基质材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引 起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围
（2）红外（0.7~500μm）吸收 光纤损耗 光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传递给晶格，使其 分子振动加剧（或多声子吸收），从而引起的损耗。
另外，水分子中OH－存在也产生吸收损耗，OH－的基本吸 收极峰在2.8μm红外附近，其中OH-离子的影响比较大，它的吸 收峰分别位于950nm，1240mm和1390nm，对光纤通信系统影 响较大。
解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比如达到99.9999999%的 纯度。（2）制造工艺上改进，如避免使用氢氧焰加热。
光纤材料的不均匀包括材料密度的起伏、制造过程中引入 的杂质或缺陷等。
瑞利散射：指不均匀性的尺度小于光的波长所产生的散射。 （或半径比光或其他电磁辐射的波长小很多的微小颗粒对入
射光的散射（颗粒是单个原子或分子）
米氏散射：材料不均匀尺度较大
当光纤中光功率密度较大时，会出现非线性散射（受激拉曼散 射、受激布里渊散射）----指光波在散射后频率发生改变
散射以及光纤弯曲等因素。
（1）吸收损耗
这是由于光纤基质材料（本征吸收）和杂质（杂质吸收）对 光能的吸收而引起的，它们把光能以热能的形式消耗于光纤中 ，是光纤损耗中重要的损耗，吸收损耗包括以下几种：
(a) 本征吸收：是物质固有的吸收，它使得光功率转变为热消
耗掉。本征吸收与光纤基质材料的共振跃迁有关。当光波
长满足下列关系时发生共振吸收：
hc
E1 E2
E1和E2是电子或分子振动能级的初态和终态，h是普朗克常 数，c是真空中的光速。
它有两个频带，一个在红外的8～12μm区域里，这个波段的本 征吸收是由于分子振动。另一个物质固有吸收带在紫外光波段， 吸收很强时，它的尾巴会拖到光通信波段（0.7～1.6μm）里 去。
光纤传输光功率和传输距离 z之间的关系为：
P(z)
P(0)10 0.1z
ห้องสมุดไป่ตู้
z
P(0)e 4.34
低损耗是实现远距离光纤通信的前提。
产生光纤损耗的机制很复杂，主要与光纤材料本身的特 性有关，其次，制造工艺也影响光纤的损耗，影响损耗的 制造工艺因素很多。
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2.损耗机制 光信号在光纤中传输时的损耗注意来着光纤材料的吸收、
1 光纤损耗（衰减）的表示 -----是指光纤每单位 长度上的衰减，决定了光信号能在光纤 中传输的最远距离。
一段光纤的损耗由通过这段光纤的光功率损失来衡量，
稳态条件下，单位长度的光纤损耗称为衰减系数 ， 通常定义为
10lg(（Pin/Pout）) / L(1) dB/km
式中， P为in 入射光功率； P为ou传t 输后的输出光功率。
光通信就是以光波为载波的通信。增加光路带宽的方法有两 种：一是提高光纤的单信道传输速率；二是增加单光纤中传 输的波长数，即波分复用技术（WDM）。
光纤的传输特性
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4.1 光纤 损耗
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4.2 光纤 色散
3
4.3 光纤 偏振
4
4.4 光纤中 的非线性 效应
4.1光纤损耗
实现光纤通信，一个重要的问题是尽可能地降低光纤的损 耗。 光纤损耗所谓损耗是指光纤每单位长度上的衰减，单位 为dB/km。光纤损耗的高低直接影响传输距离或中继站间隔距 离的远近，因此，了解并降低光纤的损耗对光纤通信有着重大 的现实意义。