光導(dǎo)纖維傳輸原理及特性(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 光學特性 傳輸功率法測量原理 單模光纖中除了光纖固有的吸收和散射損耗外 ， 還存在著其他附加損耗 ， 如：光纖芯包界面缺陷 、 縱向不均勻性 、 光纖微 （ 宏 ） 觀彎曲等 。 這些附加損耗在單模光纖截止波長處對基模的衰減影響極大 。 當單模光纖工作波長稍低于理論截止波長時 ， 單模光纖中激勵的基模急劇衰減 。 傳輸功率法的測量原理是在規(guī)定的試驗條件下 ， 通過測試被測的一短段光纖傳輸?shù)墓β孰S波長變化與參考的傳輸功率之比來確定截止波長 。 85 .1 .2 光纖的光學特性 截止波長的測量 86 .1 .2 光纖的光學特性 截止波長的測量 87 .1 .2 光纖的光學特性 （ 2） 折射率分布 折射率分布是光纖的一個重要特性參數(shù) ， 可采用 折射近場法 測量 。 這種方法是根據(jù) 光纖折射光功率與折射率 n(r)成正比 而建立起來的測試方法 。 88 .1 .2 光纖的光學特性 折射近場法 89 .1 .2 光纖的光學特性 折射近場法測試裝置 90 .1 .2 光纖的光學特性 折射近場法測試裝置 91 .1 .2 光纖的光學特性 （ 3） 數(shù)值孔徑 數(shù)值孔徑是光纖特有的一個非常重要的光學參數(shù) ，它表征光纖集光能力的大小和與光源及光纖間相互耦合的難易程度 ， 并對光纖的連接損耗 、 微彎損耗 、 宏彎損耗 、 溫度特性和傳輸帶寬等光纖的傳輸特性具有十分明顯的影響 。 92 .1 .2 光纖的光學特性 光纖最大的理論數(shù)值孔徑 N?Ath定義為光纖最大孔徑角的正弦值與光發(fā)射介質(zhì)折射率的比 。 no= 1時 ， 其取決于芯層的最大折射率 n1(0)和包層折射率 n2(b). 93 .1 .2 光纖的光學特性 數(shù)值孔徑的測量方法 折射近場法 是用來測量光纖最大理論數(shù)值孔徑的方法 。 折射近場法是替代試驗法 。 折射近場法的測量原理是 ， 首先用折射近場法測出光纖的折射率分布曲線 ， 然后從折射率分布曲線上求出纖芯中最大折射率 n1和包層折射率 n2， 再根據(jù)公式計算出光纖的最大理論數(shù)值孔徑NAth。 94 .1 .3 光纖的衰減特性 基本概念 衰減是光波經(jīng)光纖傳輸后光功率減少量一種度量 ，是光纖一個最重要傳輸參數(shù) ， 它取決于光纖工作窗口和長度 ， 表明光纖對光能傳輸損耗 ， 對光纖質(zhì)量評定和光纖通信系統(tǒng)中繼距離確定有著十分重要作用 。 衰減： 光在光纖中傳輸時 ， 平均光功率沿傳輸光纖長度 Z方向按指數(shù)規(guī)律遞減現(xiàn)象稱為光纖衰減 （ 或稱損耗 、 衰耗 ） 。 設(shè)在波長 λ 處 ， 光纖長度為 Z=L， 兩端橫截面積 1和 2之間衰減定義為： P2（ λ） =P1（ λ） 10αL∕10 （ W） 95 .1 .3 光纖的衰減特性 基本概念 用對數(shù)形式表示為： A（ λ ） =10logP1（ 0） /P2（ L） 式中： P1（ λ） — Z=0處注入光纖光功率 ， 即輸入端光功率； P2（ λ） — Z=L處出射光纖的功率 ， 即輸出端光功率 。 L — 光纖長度 ? ? ? ?? ?? ?dBPPA???21l o g10?96 .1 .3 光纖的衰減特性 基本概念 通常 ， 對于均勻光纖來說 ， 可用單位長度的衰減 ，即衰減系數(shù)反映光纖的衰減性能的好壞 。 衰減系數(shù)α(λ) 定義為： 式中： L— 光纖長度 (km)。 α(λ) 值與選擇的光纖長度無關(guān) 。 ? ? ? ? LA /??? ?? ?? ?LPP??21lo g10?97 .1 .3 光纖的衰減特性 基本概念 例：現(xiàn)有一單模光纖通信系統(tǒng) ， 光源為 LD， 發(fā)出光功率 10mW，光纖輸出端光探測器要求最小光功率 10nW， 若光纖通信系統(tǒng)工作在 1310nm波長窗口 ， 此時光纖衰減系數(shù)是 ， 那么請問無需中繼器時 ， 光纖通信系統(tǒng)最大無中繼距離長度是多少 ？ 解：由公式可得： α （ λ ） =（ 10/L） logP1（ λ ） /P2（ λ ） L=10[logP1（ λ ） /P2（ λ ） ]/α （ λ ） =10[log（ 10179。 103） /（ 10179。 109） ]/ =200（ Km） 這種光纖通信系統(tǒng)最大無中繼距離長度可達 200Km。 98 .1 .3 光纖的衰減特性 發(fā)射端 光 纖 接收端 ? 反映光信號損失的特性 ? 限制了傳輸?shù)木嚯x ? 原因：吸收、散射、彎曲 99 .1 .3 光纖的衰減特性 衰減機理 紫外吸收區(qū) 100 .1 .3 .2 衰減機理（一） 材料吸收衰減 材料吸收衰減 吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子 (OH－ )等雜質(zhì)對光的吸收而產(chǎn)生的損耗， 包括 : 本征吸收損耗 雜質(zhì)吸收損耗 原子缺陷吸收損耗 101 .1 .3 .2 衰減機理（一） 材料吸收衰減 吸收衰減是由于光纖對光能的固有吸收并轉(zhuǎn)換成損耗引起。吸收損耗機理與光纖材料的共振有關(guān)。共振是指入射的光波使材料中的電子在不同能級之間或原子在不同振動態(tài)之間發(fā)生量子躍遷的現(xiàn)象。由于通信系統(tǒng)中傳輸?shù)募す鈴姸纫话愣疾皇呛芨撸诠饫w中處于弱激勵狀態(tài)，經(jīng)光纖物質(zhì)傳輸會產(chǎn)生可飽和吸收現(xiàn)象，而促使光纖物質(zhì)的原子、分子的能級間高效選擇性激發(fā)。 102 .1 .3 .2 衰減機理（一） 光的吸收通常是在光纖構(gòu)成物質(zhì)的原子 、 分子 、 離子或電子的各量子化的固有能級間產(chǎn)生 ， 如果光波長滿足下式： 則光纖發(fā)生光飽和吸收現(xiàn)象。由此可見，當波長滿足一定條件時，便會發(fā)生光吸收。光吸收是指光能轉(zhuǎn)換成光纖物質(zhì)結(jié)構(gòu)中的原子（分子、離子或電子）等躍遷、振動、轉(zhuǎn)動能量或是轉(zhuǎn)換成動能而產(chǎn)生的光能量變換的現(xiàn)象。這種吸收損耗具有可選擇性，即對波長的可選擇性。 )/( 12 EEhc ???103 材料吸收衰減 本征吸收衰減 本征吸收是 SiO2石英玻璃自身固有的吸收 ， 難以消除 。 存在著紅外吸收和紫外吸收兩種 。 紅外吸收 （ IR）是光通過 SiO2構(gòu)成的石英玻璃時引起 SiO2分子振動共振EV、 外層電子躍遷 Ee、 轉(zhuǎn)動躍遷 Er和轉(zhuǎn)換成動能 Et引起的光能被吸收現(xiàn)象 ， 起主要作用的是 分子振動共振 。 104 本征吸收衰減 SiO2中主要光譜頻帶的理論標準模式如下： （ 1） 在 10002022/cm內(nèi) ， 各種模式與 SiOSi伸展振動有關(guān) ，在這種振動中 ， O原子與它們旁邊的 Si不一起移動 ， 而是與SiSi線平行移動； （ 2） 400850/cm， SiOSi的彎曲振動是主要的 ， 在這種振動中 ， O原子與 SiOSi角的二等分線平行移動 ， 但在 600/cm附近 ， 存在著比例較大的 SiOSi伸展振動 ， 相鄰各原子的振動趨于不同相； 105 本征吸收衰減 （ 3） 350/cm附近的紅外模式和喇曼不活動模式與 SiOSi的擺動振動有關(guān) ， 在這種振動中 ， O原子作垂直于 SiOSi平面的振動； （ 4） 350/cm以下各種模式 ， 主要歸因于總的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化動作或變形動作 。 106 本征吸收衰減 紫外吸收 是通過光波照射激勵 SiO2石英玻璃光纖材料中原子的束縛電子使其躍遷至高能級時吸收的光能量 。光子流中的能量將被電子吸收 ， 從而引起的損耗 。 石英光纖的本征吸收衰減是石英玻璃自身的紅外吸收和紫外吸收共同作用的結(jié)果 ， 光纖通信波段中 ， 在 ， SiO2非晶材料的內(nèi)部本征吸收小于， 在 ， 小于 。 107 雜質(zhì)吸收衰減 （ 非本征吸收衰減 ） 雜質(zhì)吸收在確定光纖損耗中起著決定性作用 。 雜質(zhì)吸收主要有： （ 1） 、 堿金屬離子吸收衰減 。 （ 2） 、 氫氧根離子吸收衰減 。 （ 3） 、 由氫氣導(dǎo)致的吸收衰減 （ 氫損 ） 。 108 雜質(zhì)吸收衰減 （ 非本征吸收衰減 ） （ 1） 、 金屬離子吸收衰減 金屬離子吸收屬于一種非本征吸收 。 過渡金屬雜質(zhì) ，如 Fe,Cu,Co,Ni和 Cr在 ～ 波長范圍具有強烈的吸收 。 光纖產(chǎn)生這種損耗的原因是由光纖在拉制形成玻璃纖維過程中原料中混有金屬離子引起 。 為了獲得小于1dB/km的衰減 ， 過渡金屬雜質(zhì)的含量應(yīng)該為 十億分之一(ppb)。 現(xiàn)在 ， 人們已經(jīng)可以利用現(xiàn)代提純技術(shù)獲得高純度石英玻璃的材料 。 109 雜質(zhì)吸收衰減 （ 非本征吸收衰減 ） （ 2） 、 氫氧根離子吸收衰減 光纖制造中存在一種吸收損耗非常大的 OH－ 羥基吸收離子 ， 氫氧根離子吸收也屬于一種非本征吸收 。 它對低損耗光纖吸收峰值起著唯一決定性作用 ， 它的吸收衰減機理與過渡金屬離子大相徑庭 。 OH－ 基波吸收振動峰發(fā)生在 ， 而它的諧波均勻地出現(xiàn)在 ， 、 （ 二 、 三 、 四 、 五次諧波 ）處 ， 而這些諧波同 SiO4四面體基波振動之間又組合出組合吸收峰 ， 出現(xiàn)在 ， 。 110 雜質(zhì)吸收衰減 （ 非本征吸收衰減 ） （ 2） 、 氫氧根離子吸收衰減 OH根的吸收譜（濃度 104） 111 雜質(zhì)吸收衰減 （ 非本征吸收衰減 ） （ 3） 、 由氫氣導(dǎo)致的吸收衰減 光纖在氫氣氛中將會產(chǎn)生氫損 。 氫損有二種型式： A、 H2分子由于擴散作用而進入光纖 ， 當光源波長滿足氫分子某二個能帶的帶隙 Eg=hγ 的波長時 ， 氫分子將發(fā)生吸收光子的作用過程 ， 使光能量降低 ， 由 H2吸收產(chǎn)生能量損耗 ， 即稱之為氫損 。 這種氫損是可逆的 ， 當光纖周圍的氫氣氛消失 ， 光纖產(chǎn)生的氫損會自動的消失 。 H2分子產(chǎn)生的氫損 α H2可由公式計算： α H2=C H2（ λ ） exp（ ） ?P （ dB/km） 112 B、 由 H2氫生成 OH氫氧根離子 ， 使光纖中的 OH含量增加 ，并與光纖中的分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)合產(chǎn)生氫損 ， 屬不可逆損耗 。OH產(chǎn)生的氫損 α OH可由下式計算： α OH=COH（ λ ） exp（ ） ?Pt （ dB/km） 式中： R— 氣體常數(shù) ， R=179。 103（ kcal/mol176。 k） T— 絕對溫度 （ k） P— 光纜中氫分子分壓 t— 時間 （ 小時 ） CH2— 與波長有關(guān)的系數(shù) ， CH2（ 1310） =， C H2（ 1550） =單模與多模光纖相同； COH— 與波長有關(guān)的系數(shù) ， 多模光纖 COH（ 1310） =179。 104， 單模光纖 C OH（ 1550） =179。 105 113 雜質(zhì)吸收衰減 （ 非本征吸收衰減 ） （ 3） 、 由氫氣導(dǎo)致的吸收衰減 光纖氫損產(chǎn)生的原因有二個： 其一 ， 光纖對水和潮氣極為敏感 。 水和潮氣滲入光纜中 ，使水分與光纜中的金屬加強材料發(fā)生氧化反應(yīng) ， 置換出氫氣 ， 引起氫損 。 Zn+H2O=H2↑+ZnO 其二 ， 光纖防水石油膏 （ 稱纖膏 ） 引入的氫氣造成氫損 。 114 原子缺陷吸收衰減 （ 非本征吸收衰減 ） 原子缺陷吸收衰減是由于光纖在加熱過程或者在強烈輻照下 ， 造成玻璃材料受激產(chǎn)生原子缺陷吸收衰減 。從光纖拉絲成型過程角度分析 ， 當將光纖預(yù)制棒加熱到拉絲所需溫度 1６ 002300℃ 時 ， 采用驟冷方法進行光纖拉絲 ， 雖然可在光纖制造過程中 ， 內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)排列形成時 ， 繞過結(jié)晶溫度 ， 抑制晶體成核 、 生長 ， 阻止結(jié)晶區(qū)的形成 ， 但是還會有極小部分區(qū)域產(chǎn)生結(jié)晶 ， 這是不希望的 ， 但實際生產(chǎn)中是不可避免地 ， 在結(jié)晶區(qū)會形成晶體常見的結(jié)構(gòu)缺陷 ,如：點缺陷 、 線缺陷 、 面缺陷等 ，從而引起吸收光能 ， 造成損耗 。 115 .1 .3 .2 衰減機理（二） 散 射 衰 減 散 射 衰 減 光物質(zhì)的散射 是指光入射到某種散射物體后在某處發(fā)生極化，并由此發(fā)出散射光的現(xiàn)象。當散射光的波長與入射光相同時，稱為 彈性散射 ，彈性 散射體尺寸小于入射光的波長時，稱為 瑞利散射 ， 彈性 散射體尺寸等于入射光波長時而產(chǎn)生的散射稱為 梅耶散射 。當散射光的波長與入射光波長不相同時，稱為 非彈性散射 ，如布里淵散射和喇曼散射。 116 .1 .3 .2 衰減機理（二） 散 射 衰 減