光纤的传输损耗与损耗谱及侧向应力关系

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：石英紫外吸收损耗和瑞利散射损耗是材料本身固有的，称为石英材料的本征损耗。光纤的传输损耗与工作波长密切相关，光纤的传输损耗与工作波长之间的关系称为光纤的损耗谱。如果光纤受到侧向应力的影响，则其损耗可能会相当大。

传输损耗是光纤的另一个重要指标。低损耗是实现光信号长距离无中继传输的前提。自1970年第一根低损耗光纤问世以来，人们在光纤技术方面的主要工作就是以如何降低光纤的色散和损耗展开的。

1.损耗系数

光波在任何实际的材料中传播时，其光强或单位面积上通过的光功率都是按指数规律衰减的，光信号在光纤中传输也不例外。如果在输入端（z=0处）功率为P0，则在z=l处的光功率P（z=l）为

式中 α——光纤衰减系数，dB/km。

如果测得光纤输入端的功率P0和输出端的功率P（z=l），则

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式中，光纤长度单位用km。

2.损耗机理及损耗谱

产生光纤传输损耗的主要因素有：石英紫外吸收损耗、瑞利散射损耗、杂质吸收损耗、杂质及缺陷散射损耗、弯曲辐射损耗和连接损耗。石英紫外吸收损耗和瑞利散射损耗是材料本身固有的，称为石英材料的本征损耗。光纤的传输损耗与工作波长密切相关，光纤的传输损耗与工作波长之间的关系称为光纤的损耗谱。除了石英材料的本征损耗以外，其他损耗可以通过改进工艺、降低杂质含量的方法降低。一个典型的石英光纤的损耗谱如图5-7所示。

由图5-7可以看到，在0.85μm、1.3μm、1.55μm 处有三个低损耗窗口。在光纤通信的早期，最先制成的半导体光源的中心波长就在0.85μm左右，所以第一代光纤通信系统就是工作于0.85μm的短波长上。

（1）本征损耗。

1）石英本征吸收。对于石英系光纤，当波长短到紫外区域时，石英材料对光波产生强烈的吸收，它的尾部可以拖到通信频段内。这种损耗随波长的增加而减小，在0.8～1.6μm波长范围内，大约为0.05d B/km。当石英光纤掺杂后，由于掺杂的不同，其吸收峰及拖尾也略有差别。

2）红外本征吸收。石英材料在红外波段有四个固有谐振频率，其波长分别为9.1μm、12.5μm、21μm、36.4μm，在这些谐振波长上，石英材料对电磁波产生强烈的共振吸收，吸收峰可高达1010d B/km。红外吸收的尾巴一直拖到1.5～1.7μm波段。形成了石英系光纤工作波长的上限。

3）瑞利散射损耗。任何实际的材料都不可能是完全均匀的，光纤材料也不例外。在光纤材料的加热过程中，由于材料的分子结构受到热骚动，造成材料密度的起伏，进而造成折射率不均匀。光在不均匀的介质中传播将被散射，如果结构的不均匀为分子级大小，其不均匀微粒的直径小于光波的波长，则散射的强度将与光波波长的四次方成反比，这种散射称为瑞利散射。这种散射对短波长的光更为强烈，晴空的蓝色即是瑞利散射引起的。

（2）杂质吸收损耗。杂质吸收损耗是由于材料的不纯导致的损耗。其中以OH-离子的吸收最为严重，其次是一些过渡金属离子的吸收损耗。

OH-离子在1.39μm、1.24μm、0.95μm 这三个波长上对光波产生谐振吸收，在OH-离子的浓度为10-6时，上述三个谐振吸收峰的吸收损耗分别近似为65d B/km、2.3dB/km和1.0dB/km。正是由于这三个吸收峰的存在，从而形成了0.8μm、1.3μm、1.55μm处的三个低损耗窗口。随着工艺的改进，OH-的浓度可以很小，实验室已可达0.15×10-9，这时在1.39μm波长上其附加损耗可达0.01dB/km。在这种纯度下，可在1.3～1.6μm范围内得到很低的损耗。目前，这种光纤已由朗迅公司研制成功，并称为全波长光纤。

（3）弯曲损耗。当光线从光纤的平直部分进入弯曲部位时，原先的束缚光线在弯曲部位的入射角增大，可能破坏了原光纤纤芯和包层界面上的全反射条件，形成折射或漏泄，因而在弯曲处形成附加的损耗，这就是弯曲损耗，如图5-8所示。实际光纤中的弯曲损耗可以分成两类：一类称为宏弯损耗，这类弯曲是由光纤的卷绕及必要的转弯形成的，弯曲的曲率半径较大；另一类称为微弯损耗，所谓微弯是指光纤受到侧向应力而形成的微小形变，其曲率半径极小，不易用宏观尺寸描述。

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图5-7　光纤损耗与波长的关系

弯曲损耗的定量分析十分困难。对于宏弯损耗，定性分析主要取决于弯曲的曲率半径R，R越小，损耗越大。对大多数实际上可以看到的弯曲情形，弯曲损耗可以忽略。如果光纤受到侧向应力的影响，则其损耗可能会相当大。单模光纤弯曲损耗还与模场直径有关，随着模场直径的增大，宏弯损耗和微弯损耗都会增大。

光纤的传输损耗与损耗谱及侧向应力关系

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