光纤通信技术教学资料第2章第5节

1、1,2.5 光纤的损耗特性,2.4节讨论了光纤色散对光纤传输容量(BL积)的限制，本节讨论BL积的另一个基本限制因素光纤损耗，它是通信距离的固有限制。 在给定发送功率和接收机灵敏度条件下，它决定了从光发送机到光接收机之间的最大距离，损耗过大将严重影响通信系统的性能。 事实上，光波系统所用石英光纤只有当其损耗降低至传输距离达到10km或更远时才有意义。 本节主要讨论光纤的损耗机制，并介绍一些典型参数,2,什么是光纤损耗？造成光纤损耗的原因是什么？ 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。 5-1损耗示意图,光纤损耗分为： 吸收损耗-与光纤材料有关。 散射

2、损耗-与光纤材料及光波导中的结构缺陷、非线性效应有关。 辐射损耗-与光纤几何形状的扰动相联系。 损耗产生的主要原因是光纤材料的吸收、散射作用和光纤在使用过程中由于连接、弯曲而导致附加光功率损失,3,设入纤光功率为 Pin，则光纤输出端的光功率为,2.5.2,式中，L(km)为光纤长度,损耗是光纤的一个重要传输参量，是限制光纤传输系统中继距离的主要因素之一,2.5.1,式中为衰减系数，即 ，p为入纤光功率。 与光频或光波长有关,2.5.1 衰减系数,4,通常光纤损耗用单位长度的分贝(dB)数表示，定义为,2.5.3,图2.19为石英光纤的损耗谱，图中给出了光纤通信系统的三个传输窗口： 短波长的

3、0.85 m 波段 长波长的 1.31 m 及 1.55 m 波段,5,图2.19 单模光纤的损耗谱特性,6,光纤损耗谱特性,7,各类石英光纤的典型损耗值（dB/km,8,通过超纯光纤生产工艺削去1.24m及1.39m的OH峰，实现了12001650nm的全波光纤，最大损耗不超过0.5dBkm，为波分复用在更宽的光波范围内的应用提供了可能。 通常又可将该波长范围划分为6个波段(见表,C波段是WDM系统最常用的传输波段,9,2.5.2 衰减机理,光纤的衰减机理主要有3种，即光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。前面已叙述： 吸收损耗与光纤材料有关； 散射损耗则与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关；

4、辐射损耗是由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起的。 下面分别进行讨论,1. 材料吸收损耗 材料吸收损耗有两种：本征吸收损耗与非本征吸收损耗，前者对应于纯石英引起的损耗，后者对应于杂质引起的损耗,10,1) 本征吸收损耗 在任一波长处，任何材料的吸收均与特定分子有关的电子共振和振动共振有关。 对于石英(SiO2)分子，电子共振发生在紫外区(0.4m)内，而振动共振发生在红外区(0.7m)内。 由于熔融石英的非结晶特性，这些共振表现为吸收带形，吸收带延伸到了可见光区。 图2.19显示出石英的本征材料吸收在0.8m1.6m范围内，低于0.1dB/km。 事实上，通常用于光波系统的光纤，在1.3m1.6

5、m窗口，材料吸收损耗小于0.03dB/km,11,2)非本征材料吸收 源于杂质的存在。过渡金属杂质，如Fe、Cu、Co、Ni、Mn和Cr。 在0.6m1.6m范围有很强的吸收。 现在由于工艺的改进，使这些杂质的含量低于 以下，因此它们的影响可忽略不计。 现代的工艺水平已能获得这种高纯度石英，但水蒸气的存在却使非本征吸收大大增加。 OH-的振动共振发生在2.73m处，其基波与石英的振动波作用将在1.39m、1.24m和0.95m处产生很强的吸收。 图2.19中在这3个波长附近显示的3个谱峰,12,光纤OH-吸收峰的影响,13,2.散射损耗 石英玻璃由于制造过程的因素，这种结构中会存在分子密度的不

6、均匀，GeO2与P2O5的掺入过程中，其分布也会存在不均匀。 分子密度的这种波动导致折射率在小于光波长的线度内的随机波动，折射率的这种波动将引起信号光的散射，这种散射称为瑞利散射。 瑞利散射的大小与光波长的四次方成反比。因此对短波长窗口的影响较大。 石英光纤在波长处，瑞利散射引起的本征损耗可表示为,2.5.4,式中 C为常数,14,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，这种由能量泄漏导致的损耗称为辐射损耗。 光纤的弯曲有两种类型: 一是光纤弯曲半径比光纤直径大得多; 二是光纤成缆时其轴线产生的随机性微弯。 第一类 当弯曲程度加大，曲率半径减小时，损

7、耗将随exp(-R/Rc)成比例增大，R是光纤弯曲的曲率半径，Rc为临界曲率半径,3. 辐射损耗,当曲率半径达到Rc时，就可观测到弯曲损耗,15,对单模光纤，Rc的典型值为0.2mm0.4mm。 当曲率半径大于5mm时，弯曲损耗小于0.01dB/km，可忽略不计。 大多数弯曲半径大于5mm，这种弯曲损耗实际上可忽略。 但是当弯曲的曲率半径R进一步减小到比Rc小得多时，损耗将变得非常大。 第二类 光纤成缆时产生的随机性扭曲微弯引起的附加损耗一般很小，基本上观测不到,16,4、光纤接续损耗,5-2光纤的熔接图示,5-3光纤连接点不连续现象的分类图示,17,练习题1：光线衰减 注入单模光纤的LD功率为1mW，在光纤输出