第八讲 光纤的损耗

1.4 .1 .3 光纤的衰减特性
1.4.1.3.1 基本概念 衰减是光波经光纤传输后光功率减少量一种度量， 是光纤一个最重要传输参数，它取决于光纤工作窗口 和长度。
衰减：光在光纤中传输时，平均光功率沿传输光
纤长度Z方向按指数规律递减现象称为光纤衰减（或称 损耗、衰耗）。设在波长λ处，光纤长度为Z=L，衰减 定义：
使水分与光缆中的金属加强材料发生氧化反应，置换出
氢气，引起氢损。
Zn+H2O=H2↑+ZnO 其二，光纤防水石油膏（称纤膏）引入的氢气造成氢损。
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3、原子缺陷吸收衰减（非本征吸收衰减）
原子缺陷吸收衰减是由于光纤在加热过程或者在强
烈辐照下，造成玻璃材料受激产生原子缺陷吸收衰减。 从光纤拉丝成型过程角度分析，当将光纤预制棒加热到 拉丝所需温度1６00-2300℃时，采用骤冷方法进行光纤 拉丝，虽然可在光纤制造过程中，内部原子结构排列形
OH根的吸收谱（浓度10-4）
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2、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减） （3）、由氢气导致的吸收衰减 光纤在氢气氛中将会产生氢损。氢损有二种型式： A 、 H 2 分子由于扩散作用而进入光纤，当光源波长滿足 氢分子某二个能带的带隙Eg=hγ的波长时，氢分子将发 生吸收光子的作用过程，使光能量降低，由H2吸收产生 能量损耗，即称之为氢损。这种氢损是可逆的，当光纤
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微弯损耗
微弯的原因：
光纤的生产过程中的带来的不均； 成缆时受到压力不均； 使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同。 导致的后果：造成能量辐射损耗
低阶模功率耦合到高阶模
高阶模功率损耗
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减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套
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1.4 .1 .3 光纤的衰减特性
1.4.1.3.1 基本概念
通常，对于均匀光纤来说，可用单位长度的衰减， 即衰减系数反映光纤的衰减性能的好坏。衰减系数 α(λ)定义为：
A / L
式中：L—光纤长度(km)。
P1 10 log P2 L
α(λ)值与选择的光纤长度无关。
间耦合所造成的一种衰减。
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２、波导散射衰减
光纤波导结构上的缺陷，如芯层—包层界面上存在着缺
陷、光纤沉积层缺陷、芯层内含有气泡气疤等都将引起光纤
波导散射衰减，造成整个光纤损耗系数的上升。这类散射损
耗产生的主要原因是预制棒熔炼工艺不完善、拉丝工艺不适
合等，造成光纤粗细不均匀、光纤呈椭圆等。目前的光纤制
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光纤的损耗


1310 nm : 0.30 ~ 0.5 dB/Km 1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/Km 850 nm : 2.3 ~ 3.4 dB/Km 塑料多模光纤300dB/km 光纤熔接点损耗：0.2dB/点 光纤熔接点 1点/1km
1.4 .1 .3 光纤的衰减特性
1.4.1.3.1 基本概念
例：现有一单模光纤通信系统，光源为LD，发出光功率10mW， 光纤输出端光探测器要求最小光功率 10nW，若光纤通信系统 工作在1310nm波长窗口，此时光纤衰减系数是0.3dB/Km，那 么请问无需中继器时，光纤通信系统最大无中继距离长度是 多少？
解：由公式可得：
α（λ）=（10/L）logP1（λ）/P2（λ） L=10[logP1（λ）/P2（λ）]/α（λ）
吸收主要有： （1）、碱金属离子吸收衰减。 （2）、氢氧根离子吸收衰减。 （3）、由氢气导致的吸收衰减（氢损）。
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衰减的原因
衰减的原因
衰减的原因
光纤制造中存在一种吸收损耗非常大的 OH－羟基吸收离 子，对低损耗光纤吸收峰值起着唯一决定性作用，
2、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）
（2）、氢氧根离子吸收衰减
造 水 平 ， 可 将 芯 径 的 变 动 控 制 到 <1% ， 相 应 的 散 射 损 耗 <0.03dB/km。
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２、波导散射衰减
为降低光纤波导散射衰减，可以从以下几个方面入手：
①熔炼光纤预制棒时，要严格保证它的均匀性； ②在拉丝工艺上采取精确措施，保持拉丝光纤直径的均匀性； ③应选择使用高精度、稳定性好的光纤拉丝机。 随着光纤制造工艺和水平的提高，光纤波导的结构、尺 寸、性能日趋瑧善，这种波导散射引起的损耗目前已完全可 以控制。
hc /( E2 E1 )
则光纤发生光饱和吸收现象。由此可见，当波长满足一定条 件时，便会发生光吸收。光吸收是指光能转换成光纤物质结 构中的原子（分子、离子或电子）等跃迁、振动、转动能量 或是转换成动能而产生的光能量变换的现象。这种吸收损耗 具有可选择性，即对波长的可选择性。
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衰减的原因
（1）光纤结构不完善 2、波导散射衰减 （2）芯包界面凹凸不平
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1、材料散射衰减
（1）线性散射衰减
线性散射衰减是因为在光纤制造时，熔融态玻璃分子在 冷却过程中随机的无序热运动引起其结构内部的密度和折射 率起伏并产生诸如气泡、杂质、不溶性粒子、晶体结构缺陷 等材料内部不均匀结构，致使光波在光纤内传播时遇到介质
成时，绕过结晶温度，抑制晶体成核、生长，阻止结晶
区的形成，但是还会有极小部分区域产生结晶，这是不 希望的，但实际生产中是不可避免地，在结晶区会形成 晶体常见的结构缺陷 , 如：点缺陷、线缺陷、面缺陷等， 从而引起吸收光能，造成损耗。
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1.4 .1 .3 .2 衰减机理（二）-散 射 衰 减
散 射 衰 减 光物质的散射是指光入射到某种散射物体后在某处 发生极化，并由此发出散射光的现象。当散射光的波长 与入射光相同时，称为弹性散射，弹性散射体尺寸小于 入射光的波长时，称为瑞利散射，弹性散射体尺寸等于 入射光波长时而产生的散射称为梅耶散射。当散射光的
波长与入射光波长不相同时，称为非弹性散射，如布里
渊散射和喇曼散射。
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1.4 .1 .3 .2 衰减机理（二）
散 射 衰 减 散射衰减是以散射的形式将传播中的光能辐射出光 纤外的一种损耗。它主要是由于光纤非结晶材料在微观 空间的颗粒状结构和玻璃中存在的气泡、微裂纹、杂质
及未熔化的生料粒子、结构缺陷等在这种材料上的不均
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1.4 .1 .3 .2 衰减机理（三）-光纤弯曲衰
减
光纤弯曲衰减
光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的
直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种 是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为 微弯。
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宏弯衰减：在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避
免地出现弯曲。光纤有一定曲率半径的弯曲时就会产生辐射 损耗。当曲率半径减小时，损耗以指数形式增加。
匀性和光纤尺寸和结构不完善、表面畸变等光波导的结
构上的不均匀性而引起的光在相应界面上发生散射引起
损耗的现象。光纤在加热过程中产生的缺陷主要包括： 无定形材料结晶、相分离、密度波动等。
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散射衰减
瑞利散射衰减 （1）线性散射衰减 1、材料散射衰减 （2）非线性散射衰减 梅耶散射衰减
受激布里渊散射
受激喇曼散射
不均匀或不连续的界面状态时，在界面上发生光的折射，会
有一部分光散射到各个方向，不再沿光纤的芯轴向前传播， 这部分光能不能被传输到光纤输出终端，在中途将被损耗掉， 而产生散射现象，由这种原因产生的散射损耗是由材料自身 存在的缺陷而引起，所以它被称为本征材料散射损耗或线性
散射损耗。
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1、材料散射衰减
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宏弯衰减：光纤宏弯衰减可由下式计算：
R Ae
BR
式中： A 和 B 为与光纤参数（芯半径、外径、相对折射率差） 有关的常数。通常认为，对长期和短期应用，光纤最小弯曲 半径应分别大于其包层直径的150倍和100倍，对通常包层直 径为125μm的光纤，最小弯曲半径分别为19mm和13mm。一 般认为R≥10cm时，弯曲损耗即可忽略不计。
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1、材料散射衰减
（1）线性散射衰减-瑞利散散
瑞利散射是引起光纤中散射损耗的主要成因，瑞利散射具有与波
长的λ4 成反比的性质，即：
αR=C/λ4 式中：常数C的大小范围是0.7～0.9（dB/km）μm4,与光纤纤芯的 组成有关 。在 1.55μm 波段，瑞利散射引起的损耗仍达 0.12 ～ 0.16dB/km ，仍是该波段损耗的主要原因。显然，若能在更长波
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微弯衰减：是指光纤轴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，它主要是光纤生产过程中产生 的一种随机缺陷。其损耗机理和宏弯一致，也是由模式变换 引起的。微弯导致了导播模与泄漏模或非导波模之间的重复 性能量耦合。微弯衰减是不可避免的，如不当心会达到无法 容忍的程度。它是光缆设计与成缆工艺中必须认真处理的问 题。
紫外吸收区
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吸收损耗
吸收衰减是由于光纤对光能的固有吸收并转换成 损耗引起。吸收损耗机理与光纤材料的共振有关。共 振是指入射的光波使材料中的电子在不同能级之间或 原子在不同振动态之间发生量子跃迁的现象。
1.4 .1 .3 .2 衰减机理（一）
光的吸收通常是在光纤构成物质的原子、分子、离子或 电子的各量子化的固有能级间产生，如果光波长满足下式：
=10[log（10×10-3）/（10×10-9）]/0.3
=200（Km） 这种光纤通信系统最大无中继距离长度可达200Km。
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1.4 .1 .3 光纤的衰减特性
反映光信号损失的特性
限制了传输的距离
发 射 端
光 纤
接 收 端
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光纤的衰减
1.4 .1 .3 光纤的衰减特性
1.4.1.3.2 衰减机理
衰减的原因
红外吸收（IR）是光通过SiO2构成的石英玻璃 时引起SiO2分子振动共振EV、外层电子跃迁Ee 、转动跃迁Er和转换成动能Et引起的光能被吸 收现象，起主要作用的是分子振动共振。