第四章光纤的特性1

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1、第第4章光纤的特性章光纤的特性 20世纪60年代以来的近半个世纪，光纤因其具有的许多优越特性而在光通信、传感、传像以及光能量与光信号传输等各个领域均获得了广泛的应用。因此，深人了解光纤的主要特性是至关重要的。光纤的主要特性包括:光纤的集光能力、光纤的传输特性以及光纤的物理化学特性等。有关光纤的集光能力在第2章已讨论过，本章将以光纤的传输特性为重点，分析研究光纤的损耗(衰减)、色散与带宽、偏振以及非线性效应等传输特性;同时简单介绍光纤的物理化学特性。4.1光纤的传输特性光纤的传输特性 作为一种传输介质，光纤不可避免地要对其中光信号的传输产生作用与影响,这就是光纤的传输特性。它主要包括:光纤传输的

2、模式及相关效应,光纤的损耗,光纤的色散与带宽特性，单模光纤的偏振特性，以及高功率条件下的非线性效应。其中，光纤中传输的模式问题已在第3章中详细讨论过，本节将讨论其余的传输特性。一般而言，光纤介质将使在其中传输的光信号质量劣化，引起光信号质量劣化的几种重要效应是损耗、色散、偏振和非线性效应。深人了解这些特性对各种应用尤其是光纤通信与传感的影响十分重要。4.1.1光纤的损耗特性光纤的损耗特性 光纤损耗是光纤最重要的传输特性与指标之一，在光纤通信系统中，损耗在很大程度上决定了传输系统的最大无中继距离。在光纤通信发展的前期，损耗是制约光纤通信系统发展的最重要因索之一1.光纤损耗的定义与计算 光纤损耗(

3、或称衰减)使光纤中传输的光信号的强度随距离的增加而减弱。光纤损耗量度的是输出光相对于输人光的损耗量。总损耗是所有损耗之和，造成光信号在光纤中传输损耗的主要因索有:光纤材料的吸收损耗、散射损耗、弯曲或微弯损耗(导致光泄漏)以及光纤连接与祸合的损耗。其中，祸合损耗只发生在光纤端面;由于吸收及散射均具有均匀性和累加性，即它们的影响将随着光纤长度的增加而增强，因而光纤的损耗亦具有累加性。对于长距离传输的光纤系统，祸合损耗显得不那么重要，吸收与散射损耗则占有更大的比例;而对于短距离传输的光纤系统，则光纤吸收与散射损耗要比端面祸合损耗小得多。整个光纤传输讨程中的急福耗等干吸收、散射与光藕合辐射之和。若将初

4、始光功率发送到光纤中，设P为祸合损耗的光功率，则能进人光纤的光功率为P0-P0在光纤传输中，由于吸收及散射损耗造成单位长度光纤的衰减系数为A，则光纤中长度L(以cm为单位)处的光功率P(L)可表示为 若上式中单位长度光纤的衰减系数A以单位长度光纤的吸收损耗系数 与散射损耗系数s之和取代，则上式亦可表为(4.2)上两式表明，影响光纤系统传输、透过性能的是总损耗。若仅从进人光纤的光功率考虑计算，即将光纤内的衰减与系统中的祸合损耗分开，则可以使光纤中损耗的计算简化。在科学研究与工程实用中，通常用对数分贝的标度来定义、计算光纤的损耗(衰减)。如光纤长度为L，输人光功率为 ;输出光功率为 则损耗是量度输

5、出与输人光功率比 的量。若采用对数分贝标度方法，则光纤的损耗(衰减)系数A可以用如下单位长度(km)光纤光功率衰减的分贝数来定义:dB/km (4.3)式中，“-”号表示光功率衰减，dB/km为光纤损耗的对数分贝标度单位，A值又可称为“特征损耗”。对上式计算表明，若损耗为3 dB，则表明输出光功率为输人光功率的一半;10dB表示输出光功率为输人光功率的1000;20 dB则表示输出光功率仅为输人光功率的100。总之每增加10dB的损耗，输出就减少到原输出光功率的1/10。表2.1给出了损耗分贝数与等效光功率比的常用典型值。表表4.1损耗的分贝数与等效光功率比的常用典型值损耗的分贝数与等效光功率

6、比的常用典型值 采用以dB为单位表示损耗具有很多优点，例如若给出单位长度光纤的损耗系数A(dB/km)，则L(km)长度光纤的总损耗为(4.4)另外，若光纤传输系统由几段不同的光纤组成，已知各段光纤的损耗，则系统的总损耗可由下述和式计算:总损耗(dB)=(损耗)1(dB)+(损耗)2(dB)+(损耗)3(dB)+(4.5)总之，以dB为单位，可以变复杂的乘除运算为简单的加减运算，由输人光功率和已知的衰减系数求出输出光功率，从而大大简化信号光功率与损耗的计算。(4.6)为了方便表示光功率的绝对值，常以1 mW为基准的分贝数(即aY值)为单位，表示为dBm W(通常以缩写形式dBm表示)，读做毫瓦

7、分贝。若将此单位用做绝对功率值的相对量度单位，则P(mW)光功率以dBm表示则为:这样，则有10 mW为10 dBm;0.1 mW为-10 dBm;l nW为-60 dBm。因而若给定以dBm值形式表示的输人光功率Pin(dBm)值时，则由(4.7)式可求出输出光功率值Pout(dBm)式中Pi(dB)为光纤系统损耗，其值应为负值:(4.7)反之，若得到以dBm表示的出射光功率Pout(dBm)，也可转换为以mW表示，则需对上式做逆运算，即有(4,8)2.光纤损耗产生的原因 以下以石英系通信光纤为代表进行分析。造成光纤传输损耗的主要因索包括材料的吸收损耗、散射损耗和弯曲等引起的辐射损耗。(1)

8、光纤材料的吸收损耗 光波通过光纤材料时，一部分光能被吸收转换为热能而消耗。吸收损耗是光纤传输损耗的最主要因索之一。吸收损耗与光波波长和材料成分有关。波长不同，吸收损耗大不相同。吸收损耗还与材料的成分密切相关，在某一波段范围，有些材料高度透明，如石英或光学玻璃;有些材料则吸收能力极强，如在玻璃中掺人少量杂质，可显著提高其在某些波长处的吸收能力。相反，设法除去这些杂质，则可制造出通信用的高透明低损耗光纤。根据产生的原因，吸收又分为本征吸收和非本征吸收(杂质吸收)。本征吸收损耗。本征吸收是光纤材料固有的吸收，吸收损耗与波长有关。在光波波长段，石英玻璃有两个主要的本征吸收机制(即吸收带)。其一是紫外吸

9、收带，在高能激发下，构成光纤基质的石英材料产生紫外电子受激跃迁吸收带。紫外吸收主要在短波长区，其吸收峰在0.16m处，其尾部延伸到光纤通信波段(0.8 1.6 mm)，参见图4.1。在1.31.55m波段将引0.05 dB/km的损耗，对单模光纤必须设法消除;其二是红外吸收带，红外吸收是由于光子同石英分子振动之间交换能量造成的。对纯SiO2红外吸收带的三个谐振峰为9.1m，12.5m和21m其带尾向短波长的光纤通信的近红外波段1.5 1.7 m延伸。在 =1.55 m时，由红外吸收引起的损耗小于0.01 dB/km，因而其损耗影响很小，可忽略(参见图2.10但在长波段红外吸收的高损耗也同时制约

10、了光纤通信的工作波段向更长波方向扩展。总之，本征吸收损耗是紫外与红外吸收两种因索共同作用的结果，0.8 1.7 m波段留下了一段低损耗的窗日区。非本征吸收(杂质吸收)损耗。一种重要的非本征吸收是杂质吸收。杂质吸收是由于材料不纯净和工艺不完善引人杂质而造成的损耗，影响严重的有两种:a.过渡金属离子()它们各有自己的吸收峰，如Cu离子的吸收峰为0.8m,Fe离子吸收峰为1.1m。杂质含量越，则损耗越严重。目前，控制吸收过渡金属离子的问题旱已解决。图图4.2石英材料中的氧氧根的吸收谱石英材料中的氧氧根的吸收谱(b)氢氧根离子()。由石英玻璃中水分子中解析出来的 离子是造成非本征吸收损耗的严重原因。离

11、子的振动吸收是造成在0.95um,1.22 um及1.39um处出现三个吸收峰的主要原因(参见4.2)。其中，1.39um处吸收峰最强;1.22 um处次之，约为1.39um处吸收损耗的1/31/10;0.95 um处最低。随着生产工艺的改进，严格控制 OH的含量低于10，的关键技术已解决，因而 离子的吸收损耗可以忽略。从图中还可看出，光纤通信波段的三个窗0.85um,1.31um,1.55um恰是OH离子收谱的谷区，即低损耗区。光纤材料的吸收效应具有均匀性和累加性，通过长度为L光纤的总吸收量与长度L有关。若单位长度光纤材料的吸收系数为a，则经过L(cm)长度光纤后，剩余光功率所占的比例应为(

12、2)光纤材料的散射损耗 光纤材料中由于存在远小于波长的不均匀性(例如存在原子密度的起伏，掺杂粒子不均匀等)，引起折射率的不均匀并导致光的散射，从而造成光纤的散射损耗。这种散射将使光纤中传导模式的光率，部分甚至全部转化为另一种模式的光功率(例如辐射模或泄漏模)，且这种转化又同原有传导模式的光功率成正比，因而称这种散射为线性散射。线性散射的特点是:不引起光波频率、波长的改变。因此，散射光仍为原来的光波长。线性散射损耗属于光纤的本征损耗。线性散射具体可分为两类:瑞利散射和米式散射。它们都是由光纤中某些非理想的物理性质造成的，难以在制造过程中消除这些缺陷。瑞利散射损耗。瑞利散射的机理是由于光纤制造过程

13、中材料从高温熔融到冷却状态过程中形成的折射率分布不均匀引起的。这些分布不均匀，就像在均匀材料中加人了一些尺度远小于波长的小颗粒。因而，当光波通过它们时，有些光就要受到这些粒子的散射影响，改变方向，从而形成瑞利散射损耗，如图2.3所示。瑞利散射的主要特点如下:(a)散射损耗系数Sr与波长几的四次方成反比，散射损耗随波长的减小而急剧增加，可近似表为下式:式中，几以计，AB是与石英及掺杂材料有关的常数，参见表2.2与石英和掺杂材料有关的常数。若 =1.31m ，=300，则按上式计算的瑞利散射损耗0.32 dB/km。瑞利散射损耗曲线如图2.1所示。理论和实验分析数据表明，熔融SiO的瑞利散射极限值

14、在波长为0.63 ，1 1.3 处时，分别为2.8 dB/km，0.8 dB/km和0.3 dB/km。(b)瑞利散射的损耗系数与光功率无关，因而瑞利散射被称为线性散射。(c)瑞利散射与材料种类无关，但依赖于与光波长相关的粒子的尺度，波长越接近粒子大小，散射越强。若 =1.31 ,=0.3%，则按(2.10)式计算得到的瑞利散射损耗为0.32 dB/km。米式散射(波导散射)损耗。光纤波导的宏观不均匀性，如波导尺寸结构的不均匀、芯包界面不规则、气泡、应力等尺度可与波长相比拟的不均匀性，亦可造成线性散射损耗，称为米氏散射或波导散射损耗。这种散射基本上是前向散射，且造成的散射损耗与波长无关。散射损

15、耗与吸收损耗相同，亦具有均匀性与累加性。若令单位长度光纤材料的散射损耗系数为8，则经过L(cm)长光纤后，剩余光功率的比例为考虑到非本征性损耗随制造工艺不断改进而大幅减小的现实，综合吸收与散射共同影响的石英光纤总损耗随波长变化基本规律的曲线如图生.生所示。曲线表明(参见图2.1)，在短波长区瑞利散射损耗起主要作用，而在长波长区红外吸收损耗起主要作用。(4.11)(3)光纤的弯曲与微弯引起的辐射损耗光纤在实际应用中不可避免地要产生弯曲，由此将产生弯曲辐射损耗。其实质是，当光纤弯曲时(例如盘绕等)，由于光纤边界条件变化使导波传输条件破坏，因而原纤芯中传导模的光功率将部分地转化为辐射模功率并逸出纤芯

16、，形成损耗。显然，弯曲的曲率半径越小，产生的损耗越大。多模光纤由于有大量高次模式，而高次模式更接近于截止，即有较大比例模式的功率存储于包层介质中，因而更易引发弯曲损耗。多模光纤的弯曲临界曲率半径可由下式估算:（4.12）当光纤曲率半径小于Rc时，则多模光纤的弯曲辐射损耗将急剧增大。一般认为，当弯曲的曲率半径超过10 cm时，由于光纤弯曲所造成的损耗可以忽略。在实际应用中，还存在大量光纤的微弯效应，即光纤轴线发生不规则的微小变化。例如，在光纤成缆过程中，要加各种保护套或夹持加固件，可能引起光纤各部分应力不均衡，形成微弯;光缆在敷设和长期使用过程中，由于环境温度、压力等变化，也可能产生应变造成光纤

17、微弯。微弯将会引起相邻模式间的祸合，使一部分光功率转化为辐射模式，从而形成损耗。损耗的大小取决于微弯的程度、光纤的长度及不同模式间功率的分配。由于微弯损耗难以避免，因而它比宏观的弯曲损耗更为重要。图图4.4光纤总损耗与波长关系曲线光纤总损耗与波长关系曲线应该指出，上述所有非本征性的损耗因索，均可通过对光纤光缆的精心设计、制作与使用而大大减小。3.光纤的总损耗.损耗谱曲线 随着光纤制造工艺的不断改进和提高，光纤的传输损耗正逐年降低。由于本征损耗不可改变，因而若想降低光纤损耗，必须减小杂质损耗。将前述各项损耗相加即得到总损耗。总损耗随波长而变化的曲线叫谱损耗曲线(如图2.1所示)。当只考虑将不可改

18、变的各项本征损耗相加时，则得到如图中所示的总损耗谱曲线;但当考虑杂质损耗因索，则得到如图中所示的实际总损耗谱曲线;通过改进制造工艺，大大降低氢氧根离子吸收等杂质损耗，则可得到无谐振峰的光滑谱损耗曲线，回到图中曲线。通过不断改进光纤制造工艺、降低损耗而获得的石英光纤的实际谱损耗曲线如图2.5所示。从图中可以看出，光纤通信最常用的三个低损耗窗日分别为：0.85m，1.31m,1.55m。其中，0.85m窗口是最早开发的0.85 m窗日是最旱开发的，该窗日当时恰与旱先研制的半导体激光器(GaAIAs)的发射波长一致;以后人们又发现，在近红外的长波区1.31 m和1.55 m处，光纤的传输损耗更低，因

19、而成为当今光通信技术发展的主流窗日。当前商用阶跃多模光纤的损耗值一般在0.85 m处约为2.5 dB/km;在1.31 fpm处为0.8 dB/km;而单模通信光纤在1.31 m处一般0.5dB/km以下;在1.55 m处约在0.2 dB/km以下。例题已知在波长为1.55 m处光纤的损耗为0.16 dB/km，当用 1.55 pm的波长，输出功率为2 mW的激光人射到长度L=100 km的光纤时，问光纤输出端的光功率是多少?解长度100 km的光纤其总损耗为总损耗=0.16 dB/kmX100 km=16 dB将人射光功率(2 mW)以相应的分贝数Pout(dBm)表示应为按 mW光功率对应于0dBm，因而2 mW人射光功率对应于Pin(dBm)=3dBm。出射光功率Pout(dBm)应表示为 Pout(dBm)=3(dBm)-16(dB)=-13(dBm);若折算为以mW表示，则应有:-10 dBm对应于光功率衰减至输人光功率1/10(0.1 mW);在此基础上，-3 dBm再衰减一半，因而输出光功率为0.05 mW。若按(4.6)式计算，即有