光导纤维传输原理及特性.ppt

1,第1章 光导纤维传输原理及特性,1.1 概述（光纤光缆的结构）1.2 光学基本理论1.3 光纤光传输理论1.4 光纤的特性参数1.5 光缆的特性参数1.6 光纤光缆性能测试技术,2,1.1 概述（光纤光缆的结构）,1.1.1 光纤定义:光纤是光导纤维的简称。狭义的说，光纤是一种约束光并传导光的多层同轴圆柱实体介质光波导，又称光介质传输线。作用:光纤的主要作用是传导光，将传输的光信号从一地如实地传到另一地，实现光信号的长距离异地传输。,3,1.1 概述（光纤光缆的结构）,1.1.1 光纤光纤典型结构：,图1-1 光纤典型结构,4,1.1 概述（光纤光缆的结构）,1.1.1 光纤裸光纤涂覆高分子材料的原因：（1）裸光纤的主要成分为二氧化硅，它是一种脆性易碎材料，抗弯曲性能差，韧性差，为提高光纤的微弯性能，涂覆一层高分子涂层。,5,1.1 概述（光纤光缆的结构）,1.1.1 光纤裸光纤涂覆高分子材料的原因：（2）阻止水分子与SiO键接触,6,1.1 概述（光纤光缆的结构）,1.1.1 光纤裸光纤涂覆高分子材料的原因：（3）裸光纤与空气中的水分子发生反应生成羟基，羟基是光纤固有吸收衰减的主要成因。为降低光纤的吸收衰减必须涂高分子材料阻止水份的侵入。,7,1.1 概述（光纤光缆的结构）,1.1.1 光纤裸光纤涂覆高分子材料的原因：（4）二氧化硅是一种脆性易碎材料，如将若干根这样的裸光纤集束成一捆，相互间极易产生磨损，导致光纤表面损伤而影响光纤的传输性能。为防止这种损伤采取的有效措施就是在裸光纤表面涂一层高分子材料。,8,1.1 概述（光纤光缆的结构）,1.1.1 光纤光纤的基本结构：光纤的基本结构主要根据一次涂层与二次涂层的相对位置划分。通常有三种：紧套结构、松套结构、带状结构。,图1-2 光纤的三种基本结构,9,1.1 概述（光纤光缆的结构）,1.1.2 光缆定义:光缆是由若干根这样的光纤经一定方式绞合、成缆并外挤保护层构成的实用导光线缆制品。作用:光缆内的加强件及外保护层等附属材料的作用主要是保护光纤并提供承缆、敷设、储存、运输和使用要求的机械强度、防止潮气及水的侵入及环境、化学的侵蚀和生物体啃咬等。,10,1.1 概述（光纤光缆的结构）,1.1.2 光缆光缆的基本组成：缆芯 护套,内护套铠装层外护层,11,1.1 概述（光纤光缆的结构）,护套的类型有四种：（1）.金属护套（2）.橡塑护套（3）.组合护套（4）.特种护套,12,1.1 概述（光纤光缆的结构）,1.1.2 光缆光缆常用七种护套类型：（1）PE护套；（2）PVC护套；（3）铝/聚乙烯综合护套（LAP）；（4）皱纹钢带纵包护套；（5）LAP钢带绕包护套；（6）LAP钢带铠装护套；（7）LAP钢絲铠装护套。,13,1.1 概述（光纤光缆的结构）,1.1.2 光缆光缆的基本结构：按照光缆缆芯结构的不同可将光缆分为四种：（1）层绞式光缆（2）骨架式光缆（3）中心管式光缆（4）带状式光缆,14,1.1 概述（光纤光缆的结构）,1.1.2 光缆（1）层绞式光缆,15,1.1 概述（光纤光缆的结构）,1.1.2 光缆（2）骨架式光缆,16,1.1 概述（光纤光缆的结构）,1.1.2 光缆（3）中心管式光缆,17,1.1 概述（光纤光缆的结构）,1.1.2 光缆（4）带状式光缆,18,1.2 基本理论,1.21 光波的本质 狭义地说，光是波长在380-780nm范围的可见光，但是，它又包含有红外线、紫外线，因此没有严格的界限。广义地讲，光是波长较电波短，频率较电波高的一种电磁波的总称。目前通信用光波是在近红外波和可见的红光波段，工作波长在0.801.65m之间，或者说通信用光波的频率更高f10141015Hz。,19,1.2 基本理论,1.2.1光的波粒二象性 光具有波粒二象性，即：波动性和粒子性。如上所述，光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，但黑体辐射、光电效应则证明光具有粒子性，所以既可以将光看成是一种电磁波，又可以将光看成是由光子组成的粒子流。,20,1.2 基本理论,1.2.1.1光的波动性,21,1.2 基本理论,1.2.1.2光的粒子性 光是一种电磁波，用波动理论的观点可以正确地解释许多光学现象。但是像“光电效应”这种光学现象就不能用波动理论去解释。为了正确地解释光电效应现象，1905年爱因斯坦提出了光子假说并得到证实：光是一种以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子，或称为光量子。如果电子或原子从一个较高的能级E2跃迁到一个低能级E1时，两个能级间将存在着一个能量差Eg=E2-E1,这个能量差将以量子的能量形式释放，一个量子的能量称为光子。像所有运动的粒子一样，光也可以产生压力和引起粒子旋转。所以光可以用粒子数来描述。光的能量集中在光子之中。光子具有一定的频率，单频率光称为单色光，单色光的最小单位是光子。,22,1.2 基本理论,1.2.1.2光的粒子性 一个光子的能量可以用波尔能量方程描述：,23,1.2 基本理论,1.2.1.2光的粒子性,24,1.2 基本理论,1.2.2 光在均匀介质中的传播特性1.2.2.1 三个基本定律（1）光线在均匀介质中按直线传播，称直线传播定律。其传播速度为：v=c/n 式中：c2.997108m/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率。,25,1.2 基本理论,（1）光线在均匀介质中按直线传播，称直线传播定律。常见物质的折射率：空气 1.00027；水 1.33；玻璃(SiO2)1.47；钻石 2.42；硅 3.5折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介光在不同的介质中传输速度不同,26,1.2 基本理论,1.2.2 光在均匀介质中的传播特性1.2.2.1 三个基本定律（2）来自不同方向的光线在介质中相遇后，各保持原来的传播方向继续传播，这就是光的独立传播定律。（3）光在两种各向同性、均匀介质分界面上要发生反射和折射。即一部分光能量反射回原介质，另一部分光能量折射入另一介质。,27,1.2.2 光在均匀介质中的传播特性1.2.2.2 光的反射和折射,28,1.2.2 光在均匀介质中的传播特性1.2.2.2 光的反射和折射（1）.斯奈尔反射定律:入射光在两种介质的界面发生反射时，反射光线位于入射光线和法线NN所决定的平面内,反射光线和入射光线分居法线的两侧,反射角3等于入射角1,即：1=3,29,1.2.2 光在均匀介质中的传播特性1.2.2.2 光的反射和折射（）斯奈尔折射定律:入射光在两种介质的界面发生折射时，折射光线位于入射光线和法线NN所决定的平面内,折射光线和入射光线分居法线的两侧,入射角1和折射角2有这样的关系:n1sin1=n2sin2或 sin1/sin2=n2/n1,30,1.2.2 光在均匀介质中的传播特性1.2.2.2 光的反射和折射（）斯奈尔折射定律:光产生折射的原因是由于光波在两种介质（n1，n2）中的传播速度发生了变化.假设:光在第一种介质中的传播速度为v1,在第二种介质中的传播速度v2,可得：n1/n2=v2/v1可得：sin1/sin2=v1/v2 根据光的波动理论也可证明:两种介质中传播速度的比等于它们的入射角正弦与折射角正弦之比。,31,1.2.2 光在均匀介质中的传播特性1.2.2.2 光的反射和折射（3）.光的全反射,32,1.2.2 光在均匀介质中的传播特性1.2.2.2 光的反射和折射（3）.光的全反射 当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质时，根据折射理论，折射角将大于入射角，当入射角1增大时，折射角也随之增大。当入射角增大到某一角度C时，折射角2=90，折射角为90时，对应的入射角1称为临界角C。这时折射定律变为：sinC/sin90=n2/n1 sinC=n2/n1,33,1.2.2 光在均匀介质中的传播特性1.2.2.2 光的反射和折射（3）.光的全反射 当入射角1大于临界角C时，即1C时，光由两种介质的界面按2=1的角度全部反射回第一种介质中，这种现象称为光的全反射。,34,1.2.2 光在均匀介质中的传播特性1.2.2.3 古斯 汉森位移 平面波的入射点与反射点不是同一点，反射点离开入射点有一定距离，这就是所谓古斯一汉森(Goos-Haenchen)位移，在研究光波导与纤维光学中，这是一个很重要的量。,35,1.2.2 光在均匀介质中的传播特性1.2.2.3 古斯 汉森位移 由简单的几何光学可得：Z=2tan1 式中：=1/2 2 电场进入介质2的衰减系数。2=2n2（n1/n2）2sin21-1/,36,1.2.2 光在均匀介质中的传播特性1.2.2.3 古斯汉森位移,例：已知一入射光的波长为=1m，入射角1=85，从介质1向介质2中折射，两种材料的折射率分别为n1=1.450，n2=1.430，求当发生全反射时产生的古斯汉森位移是多少？解：由已知条件可知，若要求出Z的值，必须知道穿透深度和入射角1的值，这里入射角1是已知量，需求穿透深度：,37,1.2.2 光在均匀介质中的传播特性1.2.2.3 古斯汉森位移,例：已知一入射光的波长为=1m，入射角1=85，从介质1向介质2中折射，两种材料的折射率分别为n1=1.450，n2=1.430，求当发生全反射时产生的古斯汉森位移是多少？,38,1.3 光纤的光传输理论,光纤光学的研究方法,39,1.3 光纤的光传输理论,分析方法比较,40,1.3 光纤的光传输理论,1.3.1 多模光纤中光波的传播轨迹1.3.2 阶跃型多模光纤中光波的传播原理1.3.3 梯度型多模光纤中光波的传播原理 1.3.4 光纤中的模式传输,41,1.3 光纤的光传输理论,1.3.1 多模光纤中光波的传播轨迹 根据光线在光纤中的传播轨迹，可以将多模光纤中传播的光线分为两类：子午光线和斜射光线。一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面。,42,1.3 光纤的光传输理论,1.3.1 多模光纤中光波的传播轨迹 另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线。,43,1.3 光纤的光传输理论,1.3.2 阶跃型多模光纤中的光波传播理论 目前，在通信领域最常用的多模光纤有两种类型：阶跃型多模光纤和渐变型（梯度型）多模光纤。,光纤的折射率分布,44,子午射线在阶跃折射率多模光纤中的传播,45,由此可知，若使子午光线在多模阶跃型光纤中以全反射形式向前传播，必须保证三点：（1）芯层折射率n1必须大于包层折射率n2，即：n1n2。（2）光线在芯/包界面上必须发生全反射，包层内折射光线的折射角大于或等于90，则对应的芯层的入射光线的入射角1必须大于或等于临界角c，即：1c。（3）对应光发射机光纤入射端面上的入射光线的入射角（又称孔径角）必须小于或等于临界孔径角c，即：c。,46,光纤端面的光线最大入射角c（又称临界孔径角或最大接收角）是一个非常重要的参数，为描述光纤这种集光和传输光的能力与光线最大入射角c的关系，在这里引入一个物理量数值孔径NA。对光纤而言，这个最大的孔径角c只与光纤的折射率n1、n2有关。因此，将它的正弦值定义为光纤的数值孔径NA：NA=sinc=n12-n221/2n1(2)12（n1-n2）/n1，n1n2,47,当子午光线沿着空气中的直圆柱形纤维传播时，光路长度可用下式算出：,式中，P（）是受光角为时的光路长度，L是纤维长度。由该式可知，光路长度与纤维直径无关，只取决于纤维的入射角、芯料的折射率和纤维长度。,48,光在纤维内部全反射的次数，可用下式计算：,式中，是受光角，d是纤维直径,49,子午射线在弯曲圆柱形纤维中的传播,在纤维的弯曲部位，光线有两种传播途径。一种在弯曲部位仍能很好的发生全反射，传送到另一端面；另一种在弯曲部位穿透纤维而散失。可用一个简化公式来判断能否发生全反射：R4d R为曲率半径，d为纤维的直径。,50,斜射线在阶跃型多模光纤中的传播,斜射线在阶跃型多模光纤中的传播,51,子午射线在阶跃折射率多模光纤中的传播,子午射线在渐变折射率多模光纤中的传播,1.3.3 渐变型多模光纤中的光波传播理论,52,渐变型光纤的导光原理示意图,1.3.3 渐变型多模光纤中的光波传播理论,53,n(0)为光纤轴线处的折射率；nc为包层折射率；为渐变光纤的相对折射率差。,1.3.3 渐变型多模光纤中的光波传播理论,54,斜射线在渐变型多模光纤中的传播,斜射线在渐变型多模光纤中的传播,55,1.3.4.1 模式及其基本性质“模”来源于电磁场的概念，指光场的模式。从几何光学的观点比较容易理解。以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯包层界面上形成全反射的传播光线就可以称为一个光的传输模式。,1.3.4 光纤中的模式传输,56,在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤断面，并能在光纤纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为一个光的传播模式。,57,因为模的次数是离散的，所以只有那些大于临界角的离散数目的入射角才能产生光线的传播。这些角（）由下式推导得：,58,用波动光学方法理解模,59,模式及其基本性质 这束光可看作是沿光纤轴向传播的行波和垂直于该射线的驻波的合成。波长为的光波在纤芯与包层界面上的场强为零，场强的分布是周期地重复波峰与波谷。图中x是波峰与波峰之间的间距，根据/x，得到场强的波峰数目为1、2、3，按顺序称呼这些传输的模式为基模、一次模、二次模等，基模以外都属于高次模。,60,1.3.4.2 相位一致条件,1.3.4 光纤中的模式传输,光纤中光波相位的变化情况,61,1.3.4.2 相位一致条件,1.3.4 光纤中的模式传输,光纤中光波相位的变化情况,62,1.3.4.2 相位一致条件,1.3.4 光纤中的模式传输,光纤中光波相位的变化情况,63,1.3.4.2 相位一致条件,1.3.4 光纤中的模式传输,光纤中光波相位的变化情况,64,模的基本性质 归一化频率V:给定光纤中,允许存在的导模由其结构参数所限定。光纤的结构参数可由其归一化频率V表征:V值越大,允许存在的导模数就越多。,65,模的基本性质 导模的“截止”:除了基模之外,其它导模都可能在某一个V值以下不允许存在,这时导模转化为辐射模。某一导模截止的Vc值称为导模的截止条件。,66,模的基本性质 在模式理论分析研究中，主要涉及到的模式性质还有场分布、纵向传播常数、横向传播常数、相速度与群速度、群延时与色散、偏振特性、功率流、正交性等。,参考书目：刘德明等，光纤光学 科学出版社，2008.,67,多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输,1.3.4.3 多模光纤与单模光纤（1）多模光纤,68,模间色散：每个模式在光纤中传播速度不同，导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽。,69,当前通信多模光纤的芯径和外径一般为50m和125m，最大相对折射率差约为1%。假设纤芯处的折射率为1.46.根据下面两个公式可求出光纤的数值孔径和归一化频率。1.31m波长时：0.85m波长时：V=38,70,根据波动理论，多模光纤中传导有限个分离的模。传导模的数目可以从求解波动方程得出。对于折射率为幂函数规律分布的光纤，近似公式为：,对于抛物线型光纤，因=2，所以：,对于阶跃型光纤，即,，所以：,从上面两个N值公式可以看出，对具有相同芯部最大折射率和芯径的阶跃型多模光纤和抛物线型多模光纤，在同一工作波长时，它们有相同的归一化频率，但在多模传输时，阶跃型多模光纤中的传导模数比抛物线型多模光纤中的导模多一倍。,71,单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。,1.3.4.3 多模光纤与单模光纤（2）单模光纤,72,单模光纤和多模光纤,一根光纤是不是单模传输，与(1)光纤自身的结构参数和(2)光纤中传输的光波长有关。当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）远大于光波波长时（约1m），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，即多模传输。当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d在4m10m范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，即单模传输。其余的高次模全部截止。因此，对于给定波长，单模光纤的芯径要比多模光纤小。例如，对于常用的通信波长(1550 nm)，单模光纤芯径为812 mm，而多模光纤芯径 50 mm。,73,当前通信用单模光纤的外径一般为125m，但它的纤芯直径一般为810m，比多模光纤小得多。最大相对折射率差约为0.3%0.4%。假设光纤的参数为n1=1.45、=0.35%、a=4m、0=1.31m.根据下面两个公式可求出光纤的数值孔径和归一化频率。,74,前面已经提到，判断一根光纤是不是单模传输，主要依据是归一化频率的大小，光纤单模工作的充分必要条件是：光纤的归一化频率要小于次低阶模的归一化截止频率Vc，即VVc。所谓光纤次低阶模的归一化截止频率是指光纤中第二个低阶模截止时的归一化频率。Vc主要与光纤的折射率分布指数有关。在此给出一个由光纤折射率分布指数计算Vc值的近似公式。,对于阶跃型光纤，则Vc=2.405；对于抛物线型光纤，=2，则Vc=3.401，上面给出的阶跃型单模光纤算出V=2.327Vc=2.405，因此该光纤满足单模传输条件。从上式中还可以看出，光纤的折射率分布指数越小，其归一化截止频率Vc越大，允许单模工作的相对折射率差值和纤芯半径a也相应增大。,75,1.4 光纤的特性参数,1.4.1 光纤传输特性1.4.2 光纤物理特性1.4.3 光纤化学特性,76,1.4.1 光纤的传输特性,1.4.1.1 几何尺寸特性1.4.1.2 光学特性1.4.1.3 衰减（损耗）特性1.4.1.4 色散特性1.4.1.5 其它特性,77,1.4.1.1 几何尺寸特性,（1）包层：包层是光纤横截面中玻璃的最外区域。（2）包层中心：包层中心是包层边界最佳拟合圆的中心。（3）包层直径：确定包层中心的圆直径。（4）包层直径偏差：包层直径的实际值与标称值之差。（5）包层容差区域：对于一光纤而言，包层容差区域就是包层外界限的外接圆与包层外界限拟合圆之间的区域。作为包层，两个圆都具有相同的中心。,78,1.4.1.1 几何尺寸特性,（6）包层不圆度：由包层容差区域定义的两个圆直径之差除以包层直径所得的值。（7）芯中心：芯中心是在使用大于和（或）小于光纤截止波长的波长下，从光纤的中心区域发射出的近场光强图形的恒定光强的最佳拟合点构成的圆中心。通常芯中心大致代表着模场中心。（8）芯同心度误差：芯中心与包层中心之间的距离。,79,1.4.1.1 几何尺寸特性,光纤尺寸参数的测量方法有：近场图像法、折射近场法、俯视法、传输近场法等。藉助这些几何尺寸参数的测量方法，可对光纤的玻璃几何尺寸参数进行单个几何尺寸参数测量，也可进行多个几何尺寸参数测量。,80,1.4.1.1 几何尺寸特性,近场图像法测量原理 近场图像法用一视频系统实现X-Y两维近场扫描。近场图像法的测量原理是，光纤输出端面上的近场传导模的光功率分布与光纤的折射率分布相似。只要我们在光纤输出端近场直径扫描测量近场光强度分布，就能测定光纤沿直径方向的相对折射率分布曲线和折射率分布指数g。最后根据所测光纤的类型，按照光纤几何尺寸定义计算出所要的光纤几何尺寸参数。,81,1.4.1.1 几何尺寸特性,近场图像法实验装置,82,1.4.1.1 几何尺寸特性,拟合纤芯中心：Xco、Yco(m)；拟合包层半径：Rcl(m)；拟合包层中心：Xcl、Ycl(m)；包层边界至包层中心的最小距离：Rmincl(m)；包层边界至包层中心的最大距离：Rmaxcl(m)；包 层 直 径：2Rcl(m)；包 层 不圆度：100(Rmaxcl-Rmincl)/Rcl()；芯同心度误差：(Xcl-Xco)2+(Ycl-Yco)21/2(m)；,83,1.4.1.2 光纤的光学特性,（1）截止波长,84,1.4.1.2 光纤的光学特性,传输功率法测量原理 单模光纤中除了光纤固有的吸收和散射损耗外，还存在着其他附加损耗，如：光纤芯包界面缺陷、纵向不均匀性、光纤微（宏）观弯曲等。这些附加损耗在单模光纤截止波长处对基模的衰减影响极大。当单模光纤工作波长稍低于理论截止波长时，单模光纤中激励的基模急剧衰减。传输功率法的测量原理是在规定的试验条件下，通过测试被测的一短段光纤传输的功率随波长变化与参考的传输功率之比来确定截止波长。,85,1.4.1.2 光纤的光学特性,截止波长的测量,86,1.4.1.2 光纤的光学特性,截止波长的测量,87,1.4.1.2 光纤的光学特性,（2）折射率分布 折射率分布是光纤的一个重要特性参数，可采用折射近场法测量。这种方法是根据光纤折射光功率与折射率n(r)成正比而建立起来的测试方法。,88,1.4.1.2 光纤的光学特性,折射近场法,89,1.4.1.2 光纤的光学特性,折射近场法测试装置,90,1.4.1.2 光纤的光学特性,折射近场法测试装置,91,1.4.1.2 光纤的光学特性,（3）数值孔径 数值孔径是光纤特有的一个非常重要的光学参数，它表征光纤集光能力的大小和与光源及光纤间相互耦合的难易程度，并对光纤的连接损耗、微弯损耗、宏弯损耗、温度特性和传输带宽等光纤的传输特性具有十分明显的影响。,92,1.4.1.2 光纤的光学特性,光纤最大的理论数值孔径NAth定义为光纤最大孔径角的正弦值与光发射介质折射率的比。no=1时，其取决于芯层的最大折射率n1(0)和包层折射率n2(b).,93,1.4.1.2 光纤的光学特性,数值孔径的测量方法 折射近场法是用来测量光纤最大理论数值孔径的方法。折射近场法是替代试验法。折射近场法的测量原理是，首先用折射近场法测出光纤的折射率分布曲线，然后从折射率分布曲线上求出纤芯中最大折射率n1和包层折射率n2，再根据公式计算出光纤的最大理论数值孔径NAth。,94,1.4.1.3 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，表明光纤对光能传输损耗，对光纤质量评定和光纤通信系统中继距离确定有着十分重要作用。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）。设在波长处，光纤长度为Z=L，两端横截面积1和2之间衰减定义为：P2（）=P1（）10-L10（W）,95,1.4.1.3 光纤的衰减特性,1.4.1.3.1 基本概念用对数形式表示为：A（）=10logP1（0）/P2（L）式中：P1（）Z=0处注入光纤光功率，即输入端光功率；P2（）Z=L处出射光纤的功率，即输出端光功率。L 光纤长度,96,1.4.1.3 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()定义为：式中：L光纤长度(km)。()值与选择的光纤长度无关。,97,1.4.1.3 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：（）=（10/L）logP1（）/P2（）L=10logP1（）/P2（）/（）=10log（1010-3）/（1010-9）/0.3=200（Km）这种光纤通信系统最大无中继距离长度可达200Km。,98,1.4.1.3 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原因：吸收、散射、弯曲,99,1.4.1.3 光纤的衰减特性,1.4.1.3.2 衰减机理,紫外吸收区,100,1.4.1.3.2 衰减机理（一）-材料吸收衰减,材料吸收衰减 吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子(OH)等杂质对光的吸收而产生的损耗，包括:1、本征吸收损耗2、杂质吸收损耗3、原子缺陷吸收损耗,101,1.4.1.3.2 衰减机理（一）,材料吸收衰减 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。由于通信系统中传输的激光强度一般都不是很高，在光纤中处于弱激励状态，经光纤物质传输会产生可饱和吸收现象，而促使光纤物质的原子、分子的能级间高效选择性激发。,102,1.4.1.3.2 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：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。,103,材料吸收衰减,1、本征吸收衰减 本征吸收是SiO2石英玻璃自身固有的吸收，难以消除。存在着红外吸收和紫外吸收两种。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。,104,1、本征吸收衰减 SiO2中主要光谱频带的理论标准模式如下：（1）在1000-2000/cm内，各种模式与Si-O-Si伸展振动有关，在这种振动中，O原子与它们旁边的Si不一起移动，而是与Si-Si线平行移动；（2）400-850/cm，Si-O-Si的弯曲振动是主要的，在这种振动中，O原子与Si-O-Si角的二等分线平行移动，但在600/cm附近，存在着比例较大的Si-O-Si伸展振动，相邻各原子的振动趋于不同相；,105,1、本征吸收衰减（3）350/cm附近的红外模式和喇曼不活动模式与Si-O-Si的摆动振动有关，在这种振动中，O原子作垂直于Si-O-Si平面的振动；（4）350/cm以下各种模式，主要归因于总的网络转化动作或变形动作。,106,1、本征吸收衰减 紫外吸收是通过光波照射激励SiO2石英玻璃光纤材料中原子的束缚电子使其跃迁至高能级时吸收的光能量。光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。石英光纤的本征吸收衰减是石英玻璃自身的红外吸收和紫外吸收共同作用的结果，光纤通信波段中，在波段，SiO2非晶材料的内部本征吸收小于0.1dB/Km，在波段，小于0.3dB/Km。,107,2、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）杂质吸收在确定光纤损耗中起着决定性作用。杂质吸收主要有：（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）。,108,2、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）（1）、金属离子吸收衰减 金属离子吸收属于一种非本征吸收。过渡金属杂质，如Fe,Cu,Co,Ni和Cr在0.61.6m波长范围具有强烈的吸收。光纤产生这种损耗的原因是由光纤在拉制形成玻璃纤维过程中原料中混有金属离子引起。为了获得小于1dB/km的衰减，过渡金属杂质的含量应该为十亿分之一(ppb)。现在，人们已经可以利用现代提纯技术获得高纯度石英玻璃的材料。,109,2、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）（2）、氢氧根离子吸收衰减 光纤制造中存在一种吸收损耗非常大的OH羟基吸收离子，氢氧根离子吸收也属于一种非本征吸收。它对低损耗光纤吸收峰值起着唯一决定性作用，它的吸收衰减机理与过渡金属离子大相径庭。OH基波吸收振动峰发生在2.73um附近，而它的谐波均匀地出现在1.385um，0.95um，0.72um、0.585um（二、三、四、五次谐波）处，而这些谐波同SiO4四面体基波振动之间又组合出组合吸收峰，出现在1.24，1.13和0.88um处。,110,2、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）（2）、氢氧根离子吸收衰减,OH根的吸收谱（浓度10-4）,111,2、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、H2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=h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，当光纤周围的氢气氛消失，光纤产生的氢损会自动的消失。H2分子产生的氢损H2可由公式计算：H2=C H2（）exp（2.24/RT）P（dB/km）,112,B、由H2氢生成OH氢氧根离子，使光纤中的OH含量增加，并与光纤中的分子网络结合产生氢损，属不可逆损耗。OH产生的氢损OH-可由下式计算：OH-=COH-（）exp（-10.79/RT）Pt（dB/km）式中：R气体常数，R=1.98610-3（kcal/molk）T绝对温度（k）P光缆中氢分子分压t时间（小时）CH2与波长有关的系数，CH2（1310）=0.0102，C H2（1550）=0.0195且单模与多模光纤相同；COH-与波长有关的系数，多模光纤COH-（1310）=2.1104，单模光纤C OH-（1550）=1.7105,113,2、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氢损产生的原因有二个：其一，光纤对水和潮气极为敏感。水和潮气渗入光缆中，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。,114,3、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100-2300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。,115,1.4.1.3.2 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。,116,1.4.1.3.2 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。,117,散射衰减,1、材料散射衰减2、波导散射衰减,（1）线性散射衰减（2）非线性散射衰减,瑞利散射衰减梅耶散射衰减,受激布里渊散射受激喇曼散射,（1）光纤结构不完善（2）芯包界面凹凸不平,118,1、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。,119,1、材料散射衰减,（1）线性散射衰减-瑞利散散 瑞利散射是由纤芯材料中存在微小颗粒或气孔等结构不均匀引起。不均匀粒子、气孔等尺寸远比入射光波长小得多，通常小于/10。材料密度不均匀造成折射率不均匀也会引起这种散射衰减，折射率不均匀、起伏是由于光纤制造冷却过程中有晶格产生，或密度和成分、结构变化引起。同时，温度起伏变化、成分不均匀都会引起这种散射衰减。,120,1、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4 成反比的性质，即：R=（8/3）3n182kTT/4 式中：R瑞利衰减系数，单位：dB/km 光弹性系数 T绝对温度 n1纤芯折射率 T材料的等温压缩系数 K玻尔茲曼常数 工作波长（um）,121,1、材料散射衰减,（1）线性散射衰减-瑞利散散由瑞利散射引起的石英玻璃光纤损耗可简化为：R=C/4式中：常数C的大小范围是0.70.9（dB/km）m4,与光纤纤芯的组成有关。在1.55m波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.120.16dB/km，仍是该波段损耗的主要原因。显然，若能在更长波长区域内工作，瑞利损耗的影响将会减小（3m处约0.01dB/km)，但又会受限于石英光纤的材料损耗（红外吸收）。,122,1、材料散射衰减,（1）线性散射衰减-瑞利散散 经实验验证，光纤瑞利散射损耗主要与下列二因素有关：材料成分。瑞利散射对材料成分十分敏感，若在SiO2中掺杂少量的P2O5，将大大减小瑞利散射，如果在掺杂P2O5同时，减少GeO2含量并保持原有相对折射率差值不变，则瑞利散射损耗可以进一步降低。光纤芯层和包层相对折射率差值。值越大，瑞利散射损耗就越大。,123,1、材料散射衰减,（1）线性散射衰减-梅耶散射 梅耶散射又称米氏散射，是由与光波波长同样大小粒子、气孔等引起散射，一般发生在光功率较低时，数值与瑞利散射引起损耗值相比太小，故一般将其对光纤损耗影响忽略不计。,124,1、材料散射衰减,（）非线性散射衰减如果光纤中光场强过大，那么在大光场强作用下，就会产生非线性现象，这时，一种模式的光功率就会转换到其前向或后向传输的其它模式中，或者它本身同一个模式中不同场形中，伴随着模式的转换，频率将会发生改变。其实质是光波与光纤间的非线性相互作用引起波长发生漂移，这种效应决定了光纤中传输功率值上限。受激布里渊散射（SBS）和受激喇曼散射（SRS）都属于这种非线性散射，在非线性散射中，散射光的频率要降低，或光子能量减少。,125,1、材料散射衰减,（）非线性散射衰减受激喇曼散射：假设散射物分子原来处于电子基态，当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起极化可以看作虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（Virtual state），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。存在三种情况，散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。,126,1、材料散射衰减,（）非线性散射衰减受激布里渊散射 受激布里渊散射主要是由于入射光功率很高，由光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波散射而产生的。散射光具有发散角小、线宽窄等受激发射的特性。也可以把这种受激散射过程看作光子场与声子场之间的相干散射过程。受激布里渊散射有可能在一个信道中引起严重畸变。它会朝向源