光纤的损耗
光纤的损耗和色散
具体机理：在黑夜里向空中照射，可以看到 一束光束，人们也曾看到过夜空中的探照 灯发出粗大的光柱。为什么我们会看到这 些光柱呢？这是因为有许多烟雾，灰尘等 微小颗粒浮游于大气之中，光照射在这些 颗粒上，产生了散射，就射向了四面八方， 这个现象是由瑞利首先发现的，所以人们 把这种散射称为瑞利散射。 瑞利散射是怎样产生的呢？原来组成物质的 分子、原子、电子是以某些固有的频率在 振动，并能释放出波长与该振动频率相应 的光。
二 散射损耗
是指光通过密度或折射率不均匀的物质时，除了 在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到 光，这种现象叫做散射。
原因：光纤的材料，形状，散射率分布等的 缺陷或不均匀。 散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的 瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如 气泡)引起的散射产生的。 结构缺陷散射产 生的损耗与波长无关。
• 3.色散平坦光纤（DFF）
有效利用带宽，最好使光纤在整个光纤通信的长波段 （ 1.3um-1.6um）都保持低损耗和低色散。
4. 色散补偿光纤（DCF）
利用一段光纤来消除光纤中由于色散的存在使得光脉 冲信号发生展宽和畸变。能够起这种均衡作用的光纤 称为色散补偿光纤。
作业
1．什么是损耗?光纤中存在哪些损耗?这些损 耗是由什么因素引起的？ 2.什么是色散?光纤中存在哪些色散? 3. 光纤中的信号变化是由哪些因素引起的？这 些因素各导致信号如何变化？
2.非零色散光纤（NZDF）
• 当在一根光纤上同时传输多波长光信号再采用光 放大器时，DSF光纤就会在零色散波长区出现严 重的非线形效应，这样就限制了WDM技术的应用。 • 为了提高多波长WDM系统的传输质量，就考虑 零色散点移动，移到一个低色散区，保证WDM系 统的应用。 • NZDF是指光纤的工作波长移到1.54～1.565μm 范围，不是在1.55um的零色散点内，在此区域内 的色散值较小，约为1.0～4.0PS/km· wm。此范围 内色散和损耗都比较小，而且可采用波分复用技 术。
七、光纤的损耗
原子缺陷吸收： 这种吸收损耗是由于材料受到热辐射或光 辐射作用引起的。它不是普遍存在的，只在某 些环境中才有。损耗可以很大，达到几百 dB/Km，甚至几万dB/Km。为此，光纤材料一般 需要选择对辐射不敏感的石英玻璃，以避免原 子缺陷吸收。
2) 散射损耗； 散射损耗是由于光纤材料中某种远小于波长的不 均匀性(如：折射率不均匀、掺杂浓度不均匀)引起光 的散射而构成的损耗。这种光纤也是光纤的固有本征 损耗，它的降低成为光纤损耗降低的最终限制因素。 根据散射机理，光纤中存在有瑞利散射、受激 拉曼散射和受激布里渊散射三种。第一种散射是线性 散射(不产生频率的变化)，后两种为非线性散射。
宏弯损耗：它是由光纤实际应用中必需的盘绕、曲折等 引起的宏观弯曲导致的损耗；它是曲率半径 比光纤的直径大得多的弯曲引起的损耗。
场分布
Cladding
θ′ < θ
消逝场
Core
θ θ
θ θ > θc
θ′
R
弯曲曲率半径减小 宏弯损耗指数增加
Loss模场直径小 < Loss模场直径大
Loss低阶模 < Loss高阶模
七、光纤的损耗
1. 损耗的表述 2. 损耗的种类 3. 损耗的测量
光纤的特性主要包括损耗、色散和带宽等。作为信 息传输的介质，光纤的信息传输能力是由信息的速率和 无中继距离决定的，而无中继距离是与光纤的损耗密切 相关的。 光纤的损耗限制了光信号到达光接受机的光功率， 同时也限制了光通信系统两中继站之间的距离。 1966年，高锟关于通过提纯光纤原材料来降低损耗 的重要论文，以及近些年EDFA光纤放大器的发明在光纤 损耗的控制上取得重大成就。
1. 光纤损耗的表述
当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功 率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。光纤的损 耗是衡量光纤性能的关键指标之一，它决定了光纤通 信系统的传输距离长短和中继距离的选择。一般可定 义为每单位长度光纤光功率衰减分贝数，即：
光纤损耗的原因
光纤损耗的原因
光纤损耗是指光纤中光信号的强度、功率或能量在传输过程中损失的现象。
这种损耗是光纤通信中一个重要的问题。
下面我们来探讨一下光纤损耗的原因。
1.弯曲损耗
光纤细且易弯曲，若弯曲过度，容易导致光线发生反射而损失，弯曲程度越大，反射越多损耗越大。
因此，光纤在使用时要尽可能避免过度弯曲，特别是在光纤接头处。
2.散射损耗
光纤存在微小的面、体、杂质、缺陷等，光束经过时会与这些微小的障碍物发生散射，导致光能量减少，形成光纤损耗。
通常，光纤材料制造过程中如果没有得到很好的净化，或者由于使用过程中人为损坏或外部环境影响，光纤表面或内部可能会产生划痕、凹坑等散射损耗。
3.吸收损耗
光纤内的材料对波长相同但能量较低的光线会进行吸收，导致光
线功率降低。
光纤中常见的吸收材料有氧化铝、石墨、镁等。
4.位移损耗
如果光纤的轴线发生偏移，光线就会发生位移，从而导致光线与
纤芯之间的接触面积减小或完全失去接触，使光信号损失严重。
5.光纤接头问题
光纤接头是光纤网络中最薄弱的环节，不正确的接头方式、接头
磨损、污染、接触不良都会影响到光纤的传输性能，对光能量的损失
越大，损耗就越大。
6.温度变化
温度对光纤的性能会有一定的影响，通常低温会使光纤损耗增加，而高温则可能导致光纤变形、膨胀、蒸发等问题，也会影响光纤损耗。
7.消光损失
光纤中的某些部分在特定波长下可以形成干涉，使光线发生干涉
消光，从而导致光信号强度降低。
光纤损耗的测量方法
光纤损耗的测量方法
光纤损耗可是个重要的家伙呀！它就像是通信道路上的小怪兽，会让信号变弱呢！那怎么测量这个小怪兽呢？嘿，咱有办法！
可以用剪断法呀！就像医生给病人做手术一样，把光纤剪断，分别测量两端的光功率，通过计算差值就能知道损耗啦！这多直接呀，就像直接找到小怪兽然后给它量量体重。
还有插入损耗法呢！把一个已知特性的器件插入光纤链路中，前后光功率的变化不就反映出损耗了嘛，这就好比在道路中间放个路牌，看看对通行有多大影响。
光时域反射仪法也很棒呀！它就像一个超级侦探，能沿着光纤一路探测，找到损耗的位置和大小，多厉害呀！这简直就是在黑暗中找到那一丝丝的异常。
回波损耗法也不能落下！它能检测反射光的情况，从而了解光纤的连接质量，就像通过镜子看自己脸上有没有脏东西一样。
这些方法各有各的妙处呀！它们都是我们攻克光纤损耗这个小怪兽的利器呢！难道不是吗？通过它们，我们能准确地了解光纤的状况，让通信更加顺畅，就像给道路铺上了平坦的柏油。
所以呀，我们要好好利用这些方法，和光纤损耗这个小怪兽斗智斗勇，让光信号欢快地在光纤里奔跑，为我们的生活带来便利和精彩！这就是光纤损耗测量方法的神奇之处呀！。
光纤损耗谱
光纤损耗谱
光纤损耗谱是指在不同波长范围内，光纤对光信号的衰减程度。
光纤的损耗谱通常以分贝（dB）为单位来表示。
在可见光范围内，光纤的损耗主要包括以下几种：
1. 材料吸收损耗：光纤材料会吸收光信号的能量，导致损耗。
这种损耗在可见光范围内是较小的，一般每米小于0.3 dB。
2. 散射损耗：光信号在光纤中发生散射，导致能量传输的损失。
散射损耗在可见光范围内也是较小的，一般每米小于1 dB。
3. 弯曲损耗：当光纤被弯曲时，光信号会发生不同程度的衰减。
弯曲损耗主要取决于光纤的弯曲半径和弯曲角度，一般在可见光范围内每米小于0.5 dB。
4. 过载损耗：当光信号的功率超过光纤的承载能力时，会导致过载损耗。
光纤的过载损耗取决于光纤的材料和结构，一般每米小于1 dB。
除了以上这些损耗以外，光纤在不同波长范围内还存在一些特定的损耗现象，如光纤中干涉现象导致的色散损耗、光纤接头的衰减等。
总之，光纤损耗谱是一个描述光纤对不同波长光信号衰减程度的参数，它对于光纤通信系统的设计和性能评估至关重要。
光纤损耗有哪些
光纤损耗有哪些光纤传输相比电缆传输和无线传输而言有众多优势。
光纤比电缆更轻、更小、更灵活，而且在长距离传输中，光纤比电缆的传播速度更快。
然而，影响光纤传输性能的因素很多，为了确保光纤的性能更好更稳定，这些因素不容忽视。
光纤的损耗就是其中之一，它已成为许多工程师在选择和使用光纤时最优先考虑的一个因素。
这篇教程将为您详细介绍光纤传输中的光损耗。
光信号经光纤传输后，光的强度会逐渐减弱，与此同时，光信号也会逐渐减弱。
光纤传输过程中，光信号的损失就叫做光纤损耗或者光的衰减。
所谓损耗是指光纤每单位长度上的衰减，单位为dB/km。
为了确保光信号安全有效的传输，就要尽可能地降低光纤的损耗。
引起光纤损耗的因素主要有两个：内部因素和外部因素，亦即本征光纤损耗和非本征光纤损耗。
本征光纤损耗本征光纤损耗是指光纤材料固有的一种损耗，引起本征光纤损耗的因素主要有两个：光的吸收和光的散射。
光的吸收是光纤传输中引起光损耗的主要原因，这是由于光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，因此，光的吸收损耗也被称为光纤材料吸收损耗。
实际上，光的吸收是光在传播过程中以热能的形式消耗于光纤中，这是由于分子的共振和波长的掺杂不均匀引起的。
完全纯净的的原子只吸收特定波长的光，但是绝对纯净的光纤材料几乎不可能生产出来，所以，光纤制造厂商选择掺杂锗这类含有纯硅的材料来优化光纤的性能。
光的散射是光纤损耗的另一个重要原因。
光纤的散射损耗是指在玻璃结构中分子水平上的不规则所造成的光的散射。
在光纤线路中，当发生散射时，光能量会向各个方向分散，其中一部分能量沿着线路方向继续前行，而其它方向分散的光能量则会丢失，如下图所示。
因此，为了减少散射而引起的光纤损耗，必须消除光纤芯的不完善，并对光纤涂层和挤压进行严格控制。
非本征光纤损耗本征光纤损耗，包括光的吸收和散射，只是光纤损耗的一方面原因。
非本征光纤损耗是光纤损耗的另一方面重要原因，通常是由光纤的不当处理引起的。
非本征光纤损耗主要有两种类型：弯曲损耗和对接损耗。
简述光纤损耗的原因
简述光纤损耗的原因
光纤损耗是指光信号在光纤中传输过程中逐渐衰减的现象。
光纤损耗的原因可以归结为以下几点：
1. 散射损耗：光信号在光纤中由于与光纤内部材料的微观结构不均匀而发生散射，使光信号逐渐失去能量。
2. 吸收损耗：光信号在光纤中的材料中被吸收，导致光信号的能量损失。
常见的吸收原因包括光纤材料的杂质、材料的禁带宽度等。
3. 弯曲损耗：光纤在弯曲时会发生光信号的减弱，这是因为光信号在弯曲的部分被损耗和散射。
4. 衍射损耗：当光信号通过光纤中的微观结构时，会发生衍射现象，导致光信号的能量损失。
5. 端面反射损耗：当光信号从光纤出射或进入另一个光纤时，会发生一部分光信号的反射，使得能量损失。
为了减少光纤损耗，可以采取以下措施：
1. 优化光纤材料和制备工艺，减少散射和吸收损耗。
2. 使用低损耗的弯曲光纤，减少弯曲损耗。
3. 使用抗反射涂层或其他方法来减少端面反射损耗。
4. 采用信号增强设备或中继站来补偿损耗，延长光纤传输距离。
5. 定期清洁和维护光纤连接器和接头，避免污染和损伤导致的额外损耗。
光纤中产生传输损耗的原因
光纤中产生传输损耗的原因
光纤在现代通信领域中被广泛应用，然而在光信号传输的过程中，会产生一定
的传输损耗。
这些损耗的主要原因包括以下几点：
1. 吸收损耗：光纤中的材料对光的能量有一定的吸收，并将其转化为热能。
这
种吸收导致光信号能量的减弱，从而造成传输损耗。
2. 散射损耗：光纤中杂质、不均匀性或结构缺陷会导致光信号的扩散或散射，
使光信号能量在传输过程中损失。
散射损耗可分为Rayleigh散射、Mie散射和弹性散射等几种形式。
3. 弯曲损耗：光纤在弯曲或弯折的情况下，由于光信号的传播路径不再是直线，会导致信号的散失。
较小的弯曲半径和较大的弯曲角度都能引起更大的传输损耗。
4. 线性损耗：光纤中的材料具有一定的透光率，因此光信号会沿着光纤的长度
方向逐渐减弱。
这种线性损耗主要由光纤本身的特性引起。
5. 热效应损耗：光信号的强度与光纤的温度密切相关，当光纤发生温度变化时，光信号的强度也会相应发生变化。
热效应损耗主要包括热导、热辐射和热吸收等。
6. 耦合损耗：光纤系统中，光源、光纤和接收器之间存在着光信号的耦合过程，而耦合过程中会产生一定的能量损失，从而导致传输损耗。
了解和掌握这些光纤中产生传输损耗的原因，对于光纤通信系统的设计和维护
具有重要意义。
在实际应用中，科学有效地减小这些损耗，提高光信号的传输质量和效率，将会对光纤通信技术的发展产生积极的影响。
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光纤的损耗
----光波在光纤中传输，随着距离的增加光功率逐渐下降，这就是光纤的传输 损耗，该损 耗直接关系到光纤通信系统传输距离的长短，是光纤最重要的传输 特性之一。
自光纤问世以来，人们在降低光纤损耗方面做了大量的工作，1.31卩m 光纤的损耗值在0. 5dB/km 以下，而1.55卩m 的损耗为0.2dB/km 以下，这个数 量级接近了光纤损耗的理论极限。
—— 光纤的损耗如图2-16所示
光纤的损耗 光波在光纤中传输，驗着传输
跖离的增加，光功率会逐渐减
小,这种现象称为光纤的描耗
光在光纤中传播
&
图2-16光纤的损耗 形成光纤损耗的原因很多，其损耗机理复杂，计算也比较复杂 （有些是不 能计算的）。
降低损耗主要依赖于工艺的提高相对材料的研究等。
光纤损耗的原 因主要有吸收损耗和散射损耗，还有来自光纤结构的不完善。
RHL1
光脉冲
2. 4. 1光纤的损耗系数
----光纤的损耗系数尽管引起光纤损耗的原因有多种，但在定义其损耗系数时, 只考虑输入和输出光纤的光功率之比。
----若用P i表示输入光纤的功率，P o表示输出光功率，则在传输线中的损耗可定义为
a= 101g-5- (dB)
(2-75)
----若该损耗在长为L（km）的传输线上传输，且损耗均匀，则单位长度传输线的损耗即损耗系数厂为
(2-76)
2. 4. 2吸收损耗
----物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造成光功率的损失。
吸收损耗有三个原因，一是本征吸收，二是杂质吸收，三是原子缺陷吸收。
光纤材料的固有吸收叫做本征吸收，它与电子及分子的谐振有关。
对于石英（SiO2）材料，固
有吸收区在红外区域和紫外区域，其中，红外区的中心波长在8卩mr-12卩m范围内，对光纤通信波段影响不大。
对于短波长不引起损耗，对于长波长光纤引起的损耗小于1dB/km。
紫外区中心波长在0.16卩m附近，尾部拖到I卩m左右，已延伸到光纤通信波段（即0.8卩m-1.7卩m的波段）。
在短波长范围内，引起的光纤损耗小于1dB/ km。
在长波长范围内，引起的光纤损耗小0.1dB / km。
---由于一般光纤中含有铁、锚、镍、铜、锰、铬、钒、铂等过渡金属和水的氢氧根离子，这些杂质造成的附加吸收损耗称为杂质吸收。
金属离子含量越多，造
成的损耗就越大。
降低光纤材料中过渡金属的含量可以使其影响减小到最小的程度。
为了使由这些杂质引起的损耗小于1dB/km,必须将金属的含量减小到1"」以下。
这样高纯度石英材料的生长技术已经实现。
目前，光纤中杂质吸收主要由
于水的氢氧根离子的振动，基波振动在2.73卩m波长，二次谐波振动在1.39卩m, 三次谐波振动在0.95卩m它们的各次振动谐波和它们的组合波，将在0.6卩n—2.73卩m的范围内，产生若干个吸收。
----图2—17给出了某一多模光纤的损耗谱曲线，其上的三个吸收峰就是由于氢氧根离子造成的。
为了使1.39卩m波长处的损耗降低到1dB/km以下，则氢氧根离子的含量应减小到以下。
在制造光纤过程中用来形成折射率变化所需的G e O 2 ，P205 ，B2O3等掺杂剂也可能导致附加的吸收损耗。
----原子缺陷吸收是由于加热过程或者由于强烈的辐射造成，玻璃材料会受激
而产生原子的缺陷，引起吸收光能，造成损耗。
对于普通玻璃，在3000rad的伽玛射线（门）的照射下，可能引起损耗高达20000dB/km但是有些材料受到影响比较小，例如掺锗的石英玻璃，对于4300rad的辐射，仅在波长0.82卩m引起损耗
16dB7 km宇宙射线也会对光纤产生长期影响，但影响很小
dB/km
2. 4. 3散射损耗
----由于光纤材料密度的微观变化以及各成分浓度不均匀，使得光纤中出现折 射率分布不 均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤 外部。
由此引起的损耗称为本征散射损耗。
本征散射可以认为是光纤损耗的基 本限度，又称瑞利(Rayleigh)散射。
它引起的损耗与二\成正比。
由图2—15 可见，瑞利散射损耗随波长
丄的增加而急剧减小，所以在短波长工作时，瑞利 散射影响比较大。
---物质在强大的电场作用下，会呈现非线性， 即出现新的频率或输入的频率
得到改变。
这种由非线性激发的散射有两种即受激喇曼
(Rama n)和受激布里渊 (Brillo uin) 散射。
这两种散射的主要区别在于喇曼散射的剩余能量转变为分子 振动，而布里渊散射转变为声子。
两种散射使得入射光能量降低，并在光纤中形 成一种损耗机制，在功率门限制以下，对传输不产生影响，在很高功率下，即入 射光功率超过一定闭值后，两种散射的散射光强度都随入射光功率成指数增加，
u 1)
可以导致较大的光损耗。
通过适当选择光纤直径和发射光功率，可以避免非线 性散射损耗。
在光纤通信系统设计中， 可以利用喇曼散射和布里渊散射，尤其
是喇曼散射，将特定波长的泵浦光能量转变到信号光中，
实现信号光的放大作 用。
除了上述两种散射外，还有由于光纤不完善（如弯曲）将引起散射损耗。
在 模式理论中，这相当于光纤边界条件的变化使光功率由导模转入辐射模而引起， 即部分模式能量被散射到包层中。
由射线光学理解，在正常情况下，导模光线以 大于临界角入射到纤芯包层界面上并发生全反射， 但在光纤弯曲处，入射角将减 小，甚至小于临界角，这样光线会退出纤芯外而造成损耗。
2. 4. 4石英光纤的总损耗谱
----图2-18为石英光纤的总损耗谱，
0.85 m 1.31 m 和1.55卩n 左右是光纤通信中常用
的三个低损耗窗口。
损耗系数dB ； kni
图2-18石英光纤的总损耗谱
X ( U
rr )。