光纤的损耗分析.ppt

* * 模场直径越大，弯曲损耗越大 光纤的损耗 2.5 光纤的损耗 即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。这些损耗主要包括： 1. 吸收损耗 2. 散射损耗 3. 弯曲损耗 损耗 芯径为9μm,Δ＝1.9×10－3，截止波长为1.1μm的单模光纤的损耗谱 1.55?m附近损耗最低，?=0.2dB/km OH－产生的吸收峰--0.95?m,1.24?m,1.39?m 1.3?m附近损耗较低, ?= 0.5dB/km 损耗与波长有关。在短波长区域，光纤损耗大大增加。 吸收损耗 原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的不完整造成 非本征吸收： 由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 本征吸收： 由制造光纤材料本身 (如SiO2) 的特性所决 定，即便波导结构非常完美而且材料不含 任何杂质也会存在本征吸收 本征吸收 (1) 紫外吸收: 光纤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 z 晶格 光传播方向 k E x (2) 红外吸收 光波与光纤晶格相互作 用，一部分光波能量传 递给晶格，使其振动加 剧，从而引起的损耗 本征吸收曲线 非本征吸收 光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收 OH－吸收峰 ~ 2 dB 解决方法： (1) 光纤材料化学提纯，比 如达到 99.9999999%的 纯度 OH－和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等 (2) 制造工艺上改进，如避 免使用氢氧焰加热 ( 汽 相轴向沉积法) 原子缺陷吸收 1 rad(Si) = 0.01 J/kg 800 人死亡 光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动 光纤制造 - 材料受到热激励 - 结构不完善 强粒子辐射 - 材料共价键断裂 - 原子缺陷 吸收光能，引起损耗 散射损耗 光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象 1. 瑞利散射 2. 波导散射 瑞利散射 波导在小于光波长尺度上的不均匀： - 分子密度分布不均匀 - 掺杂分子导致折射率不均匀 导致波导对入射光产生本征散射。 瑞利散射一般发生在短波长 本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值 波导散射 分类： 米氏散射损耗 辐射损耗（弯曲损耗） 米氏散射损耗 定义：理想的光纤具有完整圆柱对称性，实际上纤芯和包层分界面上存在缺陷，芯径发生漂移，使光纤产生附加损耗。在大于光波长尺度上出现折射率的非均匀性而引起的散射。 措施：制造时控制芯径漂移。 辐射损耗 定义：当理想的圆柱形光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的弯曲，引起能量泄漏到包层中，这种由能量泄漏导致的损耗称为辐射损耗。 光纤受力弯曲有两类： 宏观弯曲 微观弯曲 标准单模光纤损耗曲线 掺GeO2的低损耗、低OHˉ含量石英光纤 OH－ 0.154 dB/km AllWave fiber AllWave：逼近本征损耗 单模：本征损耗+OHˉ吸收损耗 常温且未暴露 在强辐射下 商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较 多模光纤的损耗大于单模光纤： - 多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径 (本征散射大) - 由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗 多模光纤 单模光纤 弯曲损耗 宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲 消逝场 q￠ q q q q c q￠ R q q Cladding Core 场分布 弯曲曲率半径减小 宏弯损耗指数增加 微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲 弯曲损耗与模场直径的关系 P包层1 P包层2 Loss模场直径小 Loss模场直径大 Loss低阶模 Loss高阶模 模式剥离器：将光纤缠绕成环 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 高阶模功率损耗 低阶模功率耦合到高阶模 与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗 宏弯和微弯对损耗的附加影响 宏弯损耗 微弯损耗 基本损耗 l增加，V减少，W0越大 长波长处附加损耗显著 光纤损耗的度量 总的来说，光信号在光纤中传播的时候，其功率随距离 L 的增加呈指数衰减： 那么，评价光纤损耗特性可以通过损耗系数来衡量。光纤的 损耗系数定义为： 其中L为光纤长度，Pin和Pout分别为输入和输出光功率。一般标准单