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光纤衰减

2015年5月15日 - 光纤

吸收损耗是指光波在光纤中传输时,有部分光能转换成热能而造成的损耗。光纤中产 生的吸收损耗主要有:本征吸收、杂质吸 收和原子缺陷吸收。

本征吸收是由石英玻璃自身材料固有 的吸收而引起的,固有吸收又可分为红外 吸收和紫外吸收。红外吸收是由于光通过 光纤材料的构成分子Si02时形成分子共振而引起的光能吸收现象,这种吸收损耗对 红外区域2 以上波长的光波表现特别 强烈。紫外吸收是通过光波照射激励原子 中约束的电子跃迁至高能级时吸收的能 量,其吸收峰值在0. 16 fxm附近。尾部可 拖到1 /mi左右,红外吸收和紫外吸收损耗 图谱如图2. 3所示。杂质吸收是指由光纤原料中含有的Fe2+、Cii2+、Cr3+等一系列过渡金属离子和OH一1 离子在光波激励下形成离子振动,产生电子跃迁吸收光能而产生的损耗。过渡金属离子主 要引起光纤在可见红外波段产生较大的损耗。对OFT1离子所产生的光损主要有如下结论:

(1)氢分子渗透入光纤后,在氢分子主要谐振频率(2. 73 /xm)以及谐波频率上(二次 1. 39 //m、三次0. 95 /um)会产生光能吸收,引起光纤附加吸收损耗。在石英光纤中氢吸收 峰主要在1. 08 pm、1. 31 /xm、1. 24 和1. 59 /xm波长上,最大损耗峰在1. 24 pm上。

(2)氢分子扩散引起分子振动吸收的损耗是可逆的,当氢分子消失时,氢损也相应 消失。

(3)石英光纤结构中出现Ge-OfT1、P-OH]时,将导致光纤传输损耗增加,

(4)氢(包括OH—1)引起的损耗与光纤纤芯组份、温度以及光纤所处环境氢分压有关, 当氢分压小于1 kpa大气压时,不会产生明显的氢损耗。

在此基础上人们提出了以下几点减少H2对光纤影响的措施:

(1)光纤尽可能不搀杂,特别是不掺杂磷。掺磷光纤当氢气渗入时,1. 6 mhi波长时的 损耗激增。不掺杂的纯石英光纤在500X:以下不会产生OH一\

(2)采用密封涂覆光纤有效地防止氢渗透。

(3)采用析氢小的光缆材料。采用析氢小的光缆材料后,不易发生油聚合物降解和金
属电化腐蚀产生氢而使光纤得到保护。

(4)在光缆油裔中加入吸氢剂,可有效地确保光缆在25年使用寿命期内克服氢带来的 问题。

原子缺陷吸收是由于在光纤制造过程中,玻璃受到某种热激励,或在某种情况下受到 强辐射,玻璃中的电子离开正常位置所损耗的能量。这种吸收可通过合适的制造工艺和不 同的掺杂材料及其含量的多少来减少。

2)散射损耗

散射损耗是指光能以散射的形式将光能辐射出光纤外而造成的损耗。散射损耗主要是 由于光纤的材料、形状、折射率指数分布等介质不均匀使光散射而引起的,主要包括瑞利 散射和结构散射。

瑭利散射是光纤的本征散射损耗。在光纤制造过程中,从髙温急剧冷却到室温时,在 光纤内产生密度不均勻以及成分组成的微小不均匀(折射率起伏不平)称之为粒子。当这样 的粒子受到一定波长的光照射时,若光频率与该粒子固有振动频率相同,则引起共振。粒 子内的电子以该振动频率开始振动,结果该粒子向四面八方散射出光,入射光能量被吸收 消失。因此,从外部观察,好像看到了光撞到粒子后向四面飞散一样。人们用发现者的名 字命名该现象为瑞利散射。瑞利散射具有与光波长的1/A4成正比的性质。使用光时域反射仪在其他参数不变的情况下改变波长,可明显观察到此性质的外观特征。瑞利散射造成的 损耗是光纤损耗的主要原因之一。

结构散射是由光纤材料不均勻引起的。在光纤的制造过程中,光纤中出现气泡、未溶 解的粒子和杂质等,或纤芯和包层的界商粗糙,这些统称为结构缺陷。结构缺陷必然引起 光的散射,也称为’波导散射损耗或波导不完善损耗。随着光纤制造技术的日益完善,对结 构缺陷引起的损耗几乎可以不考虑。
受激拉曼散射、受激布里渊散射等非线性现象也会引起光纤产生损耗,具体原理在光 纤的非线性效应中再详述。

3)弯曲损耗

光纤的弯曲有两种形式:一种是曲率半径比直径大得多的弯曲,我们习惯叫作弯曲; 另一种是光纤的轴产生微米级的弯曲,这种高频弯曲,我们习惯称为微弯。

在光缆的生产、接续和施工过程中,不可避免地出现弯曲,它的损耗原理如图2. 4 所示。
光纤弯曲时会造成模式转换。如低阶模变为髙阶模时,传输路径增加,损耗将增大; 若传导棋转换为辐射模,则造成辐射损耗。为了尽量减小这种损耗,施工过程中严格规定 了光纤光缆的允许弯曲半径,使弯曲损耗降低到可忽略不计的程度。