1、1光导纤维传输原理及特性 2 21. 1.3 3 光纤的光传输理论光纤的光传输理论光纤光学的研究方法光纤光学的研究方法31. 1.3 3 光纤的光传输理论光纤的光传输理论分析方法比较分析方法比较41. 1.3 3 光纤的光传输理论光纤的光传输理论1.3.1 1.3.1 多模光纤中光波的传播轨迹多模光纤中光波的传播轨迹1.3.2 1.3.2 阶跃型多模光纤中光波的传播原理阶跃型多模光纤中光波的传播原理1.3.3 1.3.3 梯度型多模光纤中光波的传播原理梯度型多模光纤中光波的传播原理 1.3.4 1.3.4 光纤中的模式传输光纤中的模式传输51. 1.3 3 光纤的光传输理论光纤的光传输理论1.
2、3.1 1.3.1 多模光纤中光波的传播轨迹多模光纤中光波的传播轨迹 根据光线在光纤中的传播轨迹，可以将多模光纤中根据光线在光纤中的传播轨迹，可以将多模光纤中传播的光线分为两类：子午光线和斜射光线。传播的光线分为两类：子午光线和斜射光线。 一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时，光纤中一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一种情形是光线始终在一个包光线的传播分两种情形：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线子午射线，那个包
3、含光，那个包含光纤轴线的固定平面称为纤轴线的固定平面称为子午面子午面。61. 1.3 3 光纤的光传输理论光纤的光传输理论1.3.1 1.3.1 多模光纤中光波的传播轨迹多模光纤中光波的传播轨迹 另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射斜射线线。71. 1.3 3 光纤的光传输理论光纤的光传输理论1.3.2 1.3.2 阶跃型多模光纤中的光波传播理论阶跃型多模光纤中的光波传播理论 目前，在通信领域最常用的多模光纤有两种类型：目前，在通信领域最常用的多模光纤有两
4、种类型：阶跃型多模光纤和渐变型（梯度型）多模光纤。阶跃型多模光纤和渐变型（梯度型）多模光纤。光纤的折射率分布8子午射线在阶跃折射率多模光纤中的传播9 由此可知，若使子午光线在多模阶跃型光纤中以全反射形式向前传播，必须保证三点：（1）芯层折射率n1必须大于包层折射率n2，即：n1n2。（2）光线在芯/包界面上必须发生全反射，包层内折射光线的折射角大于或等于90，则对应的芯层的入射光线的入射角1必须大于或等于临界角c，即：1c。（3）对应光发射机光纤入射端面上的入射光线的入射角 （又称孔径角）必须小于或等于临界孔径角c，即： c。10 光纤端面的光线最大入射角c（又称临界孔径角或最大接收角）是一个
5、非常重要的参数，为描述光纤这种集光和传输光的能力与光线最大入射角c的关系，在这里引入一个物理量数值孔径NA。对光纤而言，这个最大的孔径角c只与光纤的折射率n1 、n2有关。因此，将它的正弦值定义为光纤的数值孔径NA：NA=sinc=n12-n221/2n1(2)12 （n1-n2）/n1，n1n211 当子午光线沿着空气中的直圆柱形纤维传播时，光路长度可用下式算出： 式中，P（）是受光角为时的光路长度，L是纤维长度。由该式可知，光路长度与纤维直径无关，只取决于纤维的入射角、芯料的折射率和纤维长度。12 光在纤维内部全反射的次数，可用下式计算： 式中，是受光角，d是纤维直径13子午射线在弯曲圆柱
6、形纤维中的传播 在纤维的弯曲部位，光线有两种传播途径。一种在弯曲部位仍能很好的发生全反射，传送到另一端面；另一种在弯曲部位穿透纤维而散失。 可用一个简化公式来判断能否发生全反射： R4d R为曲率半径，d为纤维的直径。14斜射线斜射线在阶跃型多模光纤中的传播在阶跃型多模光纤中的传播斜射线在阶跃型多模光纤中的传播15子午射线在阶跃折射率多模光纤中的传播子午射线在渐变折射率多模光纤中的传播1.3.3 1.3.3 渐变型多模光纤中的光波传播理论渐变型多模光纤中的光波传播理论16 渐变型光纤的导光原理示意图1.3.3 1.3.3 渐变型多模光纤中的光波传播理论渐变型多模光纤中的光波传播理论17n(0)
7、为光纤轴线处的折射率；nc为包层折射率； 为渐变光纤的相对折射率差。1.3.3 1.3.3 渐变型多模光纤中的光波传播理论渐变型多模光纤中的光波传播理论18斜射线在渐变型多模光纤中的传播斜射线斜射线在渐变型多模光纤中的传播在渐变型多模光纤中的传播191.3.4.1 1.3.4.1 模式及其基本性质模式及其基本性质 “模模”来源于电磁场的概念，指光场的模式。从几来源于电磁场的概念，指光场的模式。从几何光学的观点比较容易理解。以某一角度射入光纤端面何光学的观点比较容易理解。以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯，并能在光纤的纤芯包层界面上形成全反射的传播光包层界面上形成全反射的传播光线就可以称为
8、一个光的传输模式。线就可以称为一个光的传输模式。1.3.4 1.3.4 光纤中的模式传输光纤中的模式传输20高次模基模低次模 在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤断面，并能在光纤纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为一个光的传播模式。21 因为模的次数是离散的，所以只有那些大于临界角因为模的次数是离散的，所以只有那些大于临界角的离散数目的入射角才能产生光线的传播。这些角（的离散数目的入射角才能产生光线的传播。这些角（）由下式推导得：）由下式推导得：22用波动光学方法理解模23模式及其基本性质模式及其基本性质 这束光可看作是沿光纤轴向传播的行波和垂直于该这束光可看作是沿光纤轴向传播的
9、行波和垂直于该射线的驻波的合成。波长为射线的驻波的合成。波长为 的光波在纤芯与包层界面的光波在纤芯与包层界面上的场强为零，场强的分布是周期地重复波峰与波谷。上的场强为零，场强的分布是周期地重复波峰与波谷。图中图中 x x是波峰与波峰之间的间距，根据是波峰与波峰之间的间距，根据 / / x x，得到场强，得到场强的波峰数目为的波峰数目为1 1、2 2、33，按顺序称呼这些传输的模，按顺序称呼这些传输的模式为基模、一次模、二次模等，基模以外都属于高次式为基模、一次模、二次模等，基模以外都属于高次模。模。241.3.4.2 1.3.4.2 相位一致条件相位一致条件 1.3.4 1.3.4 光纤中的模
10、式传输光纤中的模式传输光纤中光波相位的变化情况光纤中光波相位的变化情况251.3.4.2 1.3.4.2 相位一致条件相位一致条件 1.3.4 1.3.4 光纤中的模式传输光纤中的模式传输光纤中光波相位的变化情况光纤中光波相位的变化情况261.3.4.2 1.3.4.2 相位一致条件相位一致条件 1.3.4 1.3.4 光纤中的模式传输光纤中的模式传输光纤中光波相位的变化情况光纤中光波相位的变化情况271.3.4.2 1.3.4.2 相位一致条件相位一致条件 1.3.4 1.3.4 光纤中的模式传输光纤中的模式传输光纤中光波相位的变化情况光纤中光波相位的变化情况28模的基本性质模的基本性质 归
11、一化频率归一化频率V:V: 给定光纤中给定光纤中, ,允许存在的导模由其结允许存在的导模由其结构参数所限定。光纤的结构参数可由其归一化频率构参数所限定。光纤的结构参数可由其归一化频率V V表表征征: V: V值越大值越大, ,允许存在的导模数就越多。允许存在的导模数就越多。 29模的基本性质模的基本性质 导模的导模的“截止截止”: : 除了基模之外除了基模之外, ,其它导模都可能其它导模都可能在某一个在某一个V V值以下不允许存在值以下不允许存在, ,这时导模转化为辐射模。这时导模转化为辐射模。某一导模截止的某一导模截止的VcVc值称为导模的值称为导模的 截止条件截止条件 。30模的基本性质模
12、的基本性质 在模式理论分析研究中，主要涉及到的模式性质还在模式理论分析研究中，主要涉及到的模式性质还有场分布、纵向传播常数、横向传播常数、相速度与群有场分布、纵向传播常数、横向传播常数、相速度与群速度、群延时与色散、偏振特性、功率流、正交性等。速度、群延时与色散、偏振特性、功率流、正交性等。参考书目：刘德明等，参考书目：刘德明等，光纤光学光纤光学 科学出版社，科学出版社，2008.2008.31n多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。n优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源n缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输
13、1.3.4.3 1.3.4.3 多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤（1 1）多模光纤）多模光纤32模间色散：每个模式在光纤中传播速度不同，导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽。33 当前通信多模光纤的芯径和外径一般为当前通信多模光纤的芯径和外径一般为50m50m和和125m125m，最大相对折射率差约为，最大相对折射率差约为1%1%。假设纤芯处的折射。假设纤芯处的折射率为率为1.46.1.46.根据下面两个公式可求出光纤的数值孔径和根据下面两个公式可求出光纤的数值孔径和归一化频率。归一化频率。1.31m1.31m波长时：波长时：0.85m0.85m波长时：波长时：V=
14、38V=3834 根据波动理论，多模光纤中传导有限个分离的模。传导模的数目可以从求解波动方程得出。对于折射率为幂函数规律分布的光纤，近似公式为：对于抛物线型光纤，因=2，所以： 对于阶跃型光纤，即，所以： 从上面两个N值公式可以看出，对具有相同芯部最大折射率和芯径的阶跃型多模光纤和抛物线型多模光纤，在同一工作波长时，它们有相同的归一化频率，但在多模传输时，阶跃型多模光纤中的传导模数比抛物线型多模光纤中的导模多一倍。35n单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。n优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。
15、n缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。 n n1.3.4.3 1.3.4.3 多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤（2 2）单模光纤）单模光纤36单模光纤和多模光纤 一根光纤是不是单模传输，与 (1) 光纤自身的结构参数和 (2) 光纤中传输的光波长有关。 当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）远大于光波波长时（约1m），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，即多模传输。 当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d在4m10m范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，即单模传输。其余的高次模全部截止。 因此，对于给定波
16、长，单模光纤的芯径要比多模光纤小。例如，对于常用的通信波长 (1550 nm)，单模光纤芯径为812 mm，而多模光纤芯径 50 mm。37 当前通信用单模光纤的外径一般为当前通信用单模光纤的外径一般为125m125m，但，但它的纤芯直径一般为它的纤芯直径一般为8 8 10m10m，比多模光纤小得多。，比多模光纤小得多。最大相对折射率差约为最大相对折射率差约为0.3%0.3% 0.4%0.4%。假设光纤的参数。假设光纤的参数为为n n1 1=1.45=1.45、=0.35%=0.35%、a=4ma=4m、 0 0=1.31m=1.31m. .根据下根据下面两个公式可求出光纤的数值孔径和归一化频
17、率。面两个公式可求出光纤的数值孔径和归一化频率。38 前面已经提到，判断一根光纤是不是单模传输，主要依据是归一化频率的大小，光纤单模工作的充分必要条件是：光纤的归一化频率要小于次低阶模的归一化截止频率Vc，即VVc。所谓光纤次低阶模的归一化截止频率是指光纤中第二个低阶模截止时的归一化频率。Vc主要与光纤的折射率分布指数有关。在此给出一个由光纤折射率分布指数计算Vc值的近似公式。对于阶跃型光纤， ，则Vc=2.405；对于抛物线型光纤，=2，则Vc=3.401，上面给出的阶跃型单模光纤算出V=2.327Vc=2.405，因此该光纤满足单模传输条件。从上式中还可以看出，光纤的折射率分布指数越小，其
18、归一化截止频率Vc越大，允许单模工作的相对折射率差值和纤芯半径a也相应增大。391. 1.4 4 光纤的特性参数光纤的特性参数1.4.1 1.4.1 光纤传输特性光纤传输特性1.4.2 1.4.2 光纤物理特性光纤物理特性1.4.3 1.4.3 光纤化学特性光纤化学特性 401. 1.4 4 .1 .1 光纤的传输特性光纤的传输特性1.4.1.1 1.4.1.1 几何尺寸特性几何尺寸特性1.4.1.2 1.4.1.2 光学特性光学特性1.4.1.3 1.4.1.3 衰减（损耗）特性衰减（损耗）特性1.4.1.4 1.4.1.4 色散特性色散特性1.4.1.5 1.4.1.5 其它特性其它特性4
19、11. 1.4 4 .1 .1 .1 .1 几何尺寸特性几何尺寸特性（1 1）包层：包层是光纤横截面中玻璃的最外区域。）包层：包层是光纤横截面中玻璃的最外区域。（2 2）包层中心：包层中心是包层边界最佳拟合圆的中心。）包层中心：包层中心是包层边界最佳拟合圆的中心。（3 3）包层直径：确定包层中心的圆直径。）包层直径：确定包层中心的圆直径。（4 4）包层直径偏差：包层直径的实际值与标称值之差。）包层直径偏差：包层直径的实际值与标称值之差。（5 5）包层容差区域：对于一光纤而言，包层容差区域就是）包层容差区域：对于一光纤而言，包层容差区域就是包层外界限的外接圆与包层外界限拟合圆之间的区域。作为包层
20、外界限的外接圆与包层外界限拟合圆之间的区域。作为包层，两个圆都具有相同的中心。包层，两个圆都具有相同的中心。421. 1.4 4 .1 .1 .1 .1 几何尺寸特性几何尺寸特性（6 6）包层不圆度：由包层容差区域定义的两个圆直径之差）包层不圆度：由包层容差区域定义的两个圆直径之差除以包层直径所得的值。除以包层直径所得的值。（7 7）芯中心：芯中心是在使用大于和（或）小于光纤截止）芯中心：芯中心是在使用大于和（或）小于光纤截止波长的波长下，从光纤的中心区域发射出的近场光强图形的波长的波长下，从光纤的中心区域发射出的近场光强图形的恒定光强的最佳拟合点构成的圆中心。通常芯中心大致代表恒定光强的最佳
21、拟合点构成的圆中心。通常芯中心大致代表着模场中心。着模场中心。（8 8）芯同心度误差：芯中心与包层中心之间的距离。）芯同心度误差：芯中心与包层中心之间的距离。431. 1.4 4 .1 .1 .1 .1 几何尺寸特性几何尺寸特性 光纤尺寸参数的测量方法有：近场图像法、折射近场光纤尺寸参数的测量方法有：近场图像法、折射近场法、俯视法、传输近场法等。藉助这些几何尺寸参数的测量法、俯视法、传输近场法等。藉助这些几何尺寸参数的测量方法，可对光纤的玻璃几何尺寸参数进行单个几何尺寸参数方法，可对光纤的玻璃几何尺寸参数进行单个几何尺寸参数测量，也可进行多个几何尺寸参数测量。测量，也可进行多个几何尺寸参数测量
22、。441. 1.4 4 .1 .1 .1 .1 几何尺寸特性几何尺寸特性近场图像法测量原理近场图像法测量原理 近场图像法用一视频系统实现近场图像法用一视频系统实现X-YX-Y两维近场扫描。近场两维近场扫描。近场图像法的测量原理是，图像法的测量原理是，光纤输出端面上的近场传导模的光功光纤输出端面上的近场传导模的光功率分布与光纤的折射率分布相似。率分布与光纤的折射率分布相似。 只要我们在光纤输出端近场直径扫描测量近场光强度分只要我们在光纤输出端近场直径扫描测量近场光强度分布，就能测定光纤沿直径方向的相对折射率分布曲线和折射布，就能测定光纤沿直径方向的相对折射率分布曲线和折射率分布指数率分布指数g
23、g。最后根据所测光纤的类型，按照光纤几何尺。最后根据所测光纤的类型，按照光纤几何尺寸定义计算出所要的光纤几何尺寸参数。寸定义计算出所要的光纤几何尺寸参数。451. 1.4 4 .1 .1 .1 .1 几何尺寸特性几何尺寸特性近场图像法实验装置近场图像法实验装置461. 1.4 4 .1 .1 .1 .1 几何尺寸特性几何尺寸特性拟合纤芯中心：拟合纤芯中心： XcoXco、Yco(m)Yco(m)；拟合包层半径：拟合包层半径： Rcl(m)Rcl(m)；拟合包层中心：拟合包层中心： XclXcl、Ycl(m)Ycl(m)；包层边界至包层中心的最小距离：包层边界至包层中心的最小距离： Rmincl
24、(m)Rmincl(m)；包层边界至包层中心的最大距离：包层边界至包层中心的最大距离： Rmaxcl(m)Rmaxcl(m)；包包 层层 直直 径：径： 2Rcl(m)2Rcl(m)；包包 层层 不圆度：不圆度： 100(Rmaxcl-Rmincl)/Rcl(100(Rmaxcl-Rmincl)/Rcl() )；芯同心度误差：芯同心度误差： (Xcl-Xco)(Xcl-Xco)2 2+(Ycl-Yco)+(Ycl-Yco)2 2 1/21/2(m)(m)；471. 1.4 4 .1 .2 .1 .2 光纤的光学特性光纤的光学特性（1 1）截止波长）截止波长481. 1.4 4 .1 .2 .1
25、 .2 光纤的光学特性光纤的光学特性传输功率法测量原理传输功率法测量原理 单模光纤中除了光纤固有的吸收和散射损耗外，还单模光纤中除了光纤固有的吸收和散射损耗外，还存在着其他附加损耗，如：光纤芯包界面缺陷、纵向不存在着其他附加损耗，如：光纤芯包界面缺陷、纵向不均匀性、光纤微（宏）观弯曲等。这些附加损耗在单模均匀性、光纤微（宏）观弯曲等。这些附加损耗在单模光纤截止波长处对基模的衰减影响极大。当单模光纤工光纤截止波长处对基模的衰减影响极大。当单模光纤工作波长稍低于理论截止波长时，单模光纤中激励的基模作波长稍低于理论截止波长时，单模光纤中激励的基模急剧衰减。急剧衰减。传输功率法的测量原理是在规定的试验
26、条件传输功率法的测量原理是在规定的试验条件下，通过测试被测的一短段光纤传输的功率随波长变化下，通过测试被测的一短段光纤传输的功率随波长变化与参考的传输功率之比来确定截止波长。与参考的传输功率之比来确定截止波长。491. 1.4 4 .1 .2 .1 .2 光纤的光学特性光纤的光学特性截止波长的测量截止波长的测量501. 1.4 4 .1 .2 .1 .2 光纤的光学特性光纤的光学特性截止波长的测量截止波长的测量511. 1.4 4 .1 .2 .1 .2 光纤的光学特性光纤的光学特性（2 2）折射率分布）折射率分布 折射率分布是光纤的一个重要特性参数，可采用折射率分布是光纤的一个重要特性参数，
27、可采用折折射近场法射近场法测量。这种方法是根据测量。这种方法是根据光纤折射光功率与折射光纤折射光功率与折射率率n(r)n(r)成正比成正比而建立起来的测试方法。而建立起来的测试方法。 521. 1.4 4 .1 .2 .1 .2 光纤的光学特性光纤的光学特性折射近场法折射近场法 531. 1.4 4 .1 .2 .1 .2 光纤的光学特性光纤的光学特性折射近场法测试装置折射近场法测试装置 541. 1.4 4 .1 .2 .1 .2 光纤的光学特性光纤的光学特性折射近场法测试装置折射近场法测试装置 551. 1.4 4 .1 .2 .1 .2 光纤的光学特性光纤的光学特性（3 3）数值孔径）数
28、值孔径 数值孔径是光纤特有的一个非常重要的光学参数，数值孔径是光纤特有的一个非常重要的光学参数，它表征光纤集光能力的大小和与光源及光纤间相互耦合它表征光纤集光能力的大小和与光源及光纤间相互耦合的难易程度，并对光纤的连接损耗、微弯损耗、宏弯损的难易程度，并对光纤的连接损耗、微弯损耗、宏弯损耗、温度特性和传输带宽等光纤的传输特性具有十分明耗、温度特性和传输带宽等光纤的传输特性具有十分明显的影响。显的影响。561. 1.4 4 .1 .2 .1 .2 光纤的光学特性光纤的光学特性 光纤最大的理论数值孔径光纤最大的理论数值孔径N N A Athth定义为光纤最大孔径定义为光纤最大孔径角的正弦值与光发射
29、介质折射率的比。角的正弦值与光发射介质折射率的比。n no o= = 1 1时，其取决时，其取决于芯层的最大折射率于芯层的最大折射率n n1 1(0)(0)和包层折射率和包层折射率n n2 2(b).(b).571. 1.4 4 .1 .2 .1 .2 光纤的光学特性光纤的光学特性数值孔径的测量方法数值孔径的测量方法 折射近场法折射近场法是用来测量光纤最大理论数值孔径的方是用来测量光纤最大理论数值孔径的方法。折射近场法是替代试验法。折射近场法的测量原理法。折射近场法是替代试验法。折射近场法的测量原理是，首先用折射近场法测出光纤的折射率分布曲线，然是，首先用折射近场法测出光纤的折射率分布曲线，然
30、后从折射率分布曲线上求出纤芯中最大折射率后从折射率分布曲线上求出纤芯中最大折射率n n1 1和包层和包层折射率折射率n n2 2，再根据公式计算出光纤的最大理论数值孔径，再根据公式计算出光纤的最大理论数值孔径NANAthth。581. 1.4 4 .1 .3 .1 .3 光纤的衰减特性光纤的衰减特性1.4.1.3.1 1.4.1.3.1 基本概念基本概念 衰减是光波经光纤传输后光功率减少量一种度量，衰减是光波经光纤传输后光功率减少量一种度量，是光纤一个最重要传输参数，它取决于光纤工作窗口和是光纤一个最重要传输参数，它取决于光纤工作窗口和长度，表明光纤对光能传输损耗，对光纤质量评定和光长度，表明
31、光纤对光能传输损耗，对光纤质量评定和光纤通信系统中继距离确定有着十分重要作用。纤通信系统中继距离确定有着十分重要作用。 衰减：衰减：光在光纤中传输时，平均光功率沿传输光纤光在光纤中传输时，平均光功率沿传输光纤长度长度Z Z方向按指数规律递减现象称为光纤衰减（或称损方向按指数规律递减现象称为光纤衰减（或称损耗、衰耗）。设在波长耗、衰耗）。设在波长处，光纤长度为处，光纤长度为Z=LZ=L，两端横，两端横截面积截面积1 1和和2 2之间衰减定义为：之间衰减定义为：P P2 2（ ）=P=P1 1（ ）1010-L10-L10（W W）591. 1.4 4 .1 .3 .1 .3 光纤的衰减特性光纤的
32、衰减特性1.4.1.3.1 1.4.1.3.1 基本概念基本概念用对数形式表示为：用对数形式表示为：A A（）=10logP=10logP1 1（0 0）/P/P2 2（L L） 式中：式中：P P1 1（ ） Z=0 Z=0处注入光纤光功率，即输入端光功率；处注入光纤光功率，即输入端光功率；P P2 2（ ） Z=L Z=L处出射光纤的功率，即输出端光功率。处出射光纤的功率，即输出端光功率。L L 光纤长度光纤长度601. 1.4 4 .1 .3 .1 .3 光纤的衰减特性光纤的衰减特性1.4.1.3.1 1.4.1.3.1 基本概念基本概念 通常，对于均匀光纤来说，可用单位长度的衰减，通常
33、，对于均匀光纤来说，可用单位长度的衰减，即衰减系数反映光纤的衰减性能的好坏。衰减系数即衰减系数反映光纤的衰减性能的好坏。衰减系数()()定义为：定义为：式中：式中：LL光纤长度光纤长度(km)(km)。()()值与选择的光纤长度无关。值与选择的光纤长度无关。611. 1.4 4 .1 .3 .1 .3 光纤的衰减特性光纤的衰减特性1.4.1.3.1 1.4.1.3.1 基本概念基本概念例：现有一单模光纤通信系统，光源为例：现有一单模光纤通信系统，光源为LDLD，发出光功率，发出光功率10mW10mW，光纤输出端光探测器要求最小光功率，光纤输出端光探测器要求最小光功率10nW10nW，若光纤通信
34、系，若光纤通信系统工作在统工作在1310nm1310nm波长窗口，此时光纤衰减系数是波长窗口，此时光纤衰减系数是0.3dB/Km0.3dB/Km，那么请问无需中继器时，光纤通信系统最大无中继距离长度那么请问无需中继器时，光纤通信系统最大无中继距离长度是多少？是多少？解：由公式可得：解：由公式可得：（）= =（10/L10/L）logPlogP1 1（）/P/P2 2（） L=10logPL=10logP1 1（）/P/P2 2（）/（） =10log=10log（10101010-3-3）/ /（10101010-9-9）/0.3/0.3 =200 =200（KmKm）这种光纤通信系统最大无中
35、继距离长度可达这种光纤通信系统最大无中继距离长度可达200Km200Km。621. 1.4 4 .1 .3 .1 .3 光纤的衰减特性光纤的衰减特性发射端光 纤接收端q 反映光信号损失的特性q 限制了传输的距离q 原因：吸收、散射、弯曲631. 1.4 4 .1 .3 .1 .3 光纤的衰减特性光纤的衰减特性1.4.1.3.2 1.4.1.3.2 衰减机理衰减机理 紫外吸收区641. 1.4 4 .1 .3 .2 .1 .3 .2 衰减机理（一）衰减机理（一）- -材料吸收衰减材料吸收衰减材料吸收衰减材料吸收衰减 吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中
36、的过渡金属离子和氢氧根离子属离子和氢氧根离子(OH(OH) )等杂质对光的吸收而产生的等杂质对光的吸收而产生的损耗，损耗，包括包括: :1 1、本征吸收损耗、本征吸收损耗2 2、杂质吸收损耗、杂质吸收损耗3 3、原子缺陷吸收损耗、原子缺陷吸收损耗651. 1.4 4 .1 .3 .2 .1 .3 .2 衰减机理（一）衰减机理（一）材料吸收衰减材料吸收衰减 吸收衰减是由于光纤对光能的固有吸收并转换成损吸收衰减是由于光纤对光能的固有吸收并转换成损耗引起。吸收损耗机理与光纤材料的共振有关。共振是耗引起。吸收损耗机理与光纤材料的共振有关。共振是指入射的光波使材料中的电子在不同能级之间或原子在指入射的光
37、波使材料中的电子在不同能级之间或原子在不同振动态之间发生量子跃迁的现象。由于通信系统中不同振动态之间发生量子跃迁的现象。由于通信系统中传输的激光强度一般都不是很高，在光纤中处于弱激励传输的激光强度一般都不是很高，在光纤中处于弱激励状态，经光纤物质传输会产生可饱和吸收现象，而促使状态，经光纤物质传输会产生可饱和吸收现象，而促使光纤物质的原子、分子的能级间高效选择性激发。光纤物质的原子、分子的能级间高效选择性激发。661. 1.4 4 .1 .3 .2 .1 .3 .2 衰减机理（一）衰减机理（一） 光的吸收通常是在光纤构成物质的原子、分子、离子或光的吸收通常是在光纤构成物质的原子、分子、离子或电
38、子的各量子化的固有能级间产生，如果光波长满足下式：电子的各量子化的固有能级间产生，如果光波长满足下式：则光纤发生光饱和吸收现象。由此可见，当波长满足一定条则光纤发生光饱和吸收现象。由此可见，当波长满足一定条件时，便会发生光吸收。光吸收是指光能转换成光纤物质结件时，便会发生光吸收。光吸收是指光能转换成光纤物质结构中的原子（分子、离子或电子）等跃迁、振动、转动能量构中的原子（分子、离子或电子）等跃迁、振动、转动能量或是转换成动能而产生的光能量变换的现象。这种吸收损耗或是转换成动能而产生的光能量变换的现象。这种吸收损耗具有可选择性，即对波长的可选择性。具有可选择性，即对波长的可选择性。67材料吸收衰
39、减材料吸收衰减1 1、本征吸收衰减、本征吸收衰减 本征吸收是本征吸收是SiOSiO2 2石英玻璃自身固有的吸收，难以消石英玻璃自身固有的吸收，难以消除。存在着红外吸收和紫外吸收两种。除。存在着红外吸收和紫外吸收两种。红外吸收红外吸收（IRIR）是光通过是光通过SiOSiO2 2构成的石英玻璃时引起构成的石英玻璃时引起SiOSiO2 2分子振动共振分子振动共振E EV V、外层电子跃迁、外层电子跃迁E Ee e、转动跃迁、转动跃迁E Er r和转换成动能和转换成动能E Et t引起的引起的光能被吸收现象，起主要作用的是光能被吸收现象，起主要作用的是分子振动共振分子振动共振。681 1、本征吸收衰
40、减、本征吸收衰减 SiOSiO2 2中主要光谱频带的理论标准模式如下：中主要光谱频带的理论标准模式如下：（1 1）在）在1000-2000/cm1000-2000/cm内，各种模式与内，各种模式与Si-O-SiSi-O-Si伸展振动有关伸展振动有关，在这种振动中，在这种振动中，O O原子与它们旁边的原子与它们旁边的SiSi不一起移动，而是不一起移动，而是与与Si-SiSi-Si线平行移动；线平行移动；（2 2）400-850/cm400-850/cm，Si-O-SiSi-O-Si的弯曲振动是主要的，在这种振的弯曲振动是主要的，在这种振动中，动中，O O原子与原子与Si-O-SiSi-O-Si角
41、的二等分线平行移动，但在角的二等分线平行移动，但在600/cm600/cm附近，存在着比例较大的附近，存在着比例较大的Si-O-SiSi-O-Si伸展振动，相邻各原子的伸展振动，相邻各原子的振动趋于不同相；振动趋于不同相；691 1、本征吸收衰减、本征吸收衰减（3 3）350/cm350/cm附近的红外模式和喇曼不活动模式与附近的红外模式和喇曼不活动模式与Si-O-Si-O-SiSi的摆动振动有关，在这种振动中，的摆动振动有关，在这种振动中，O O原子作垂直于原子作垂直于Si-Si-O-SiO-Si平面的振动；平面的振动；（4 4）350/cm350/cm以下各种模式，主要归因于总的网络转化以
42、下各种模式，主要归因于总的网络转化动作或变形动作。动作或变形动作。701 1、本征吸收衰减、本征吸收衰减 紫外吸收紫外吸收是通过光波照射激励是通过光波照射激励SiOSiO2 2石英玻璃光纤材石英玻璃光纤材料中原子的束缚电子使其跃迁至高能级时吸收的光能料中原子的束缚电子使其跃迁至高能级时吸收的光能量。光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。量。光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。 石英光纤的本征吸收衰减是石英玻璃自身的红外吸石英光纤的本征吸收衰减是石英玻璃自身的红外吸收和紫外吸收共同作用的结果，光纤通信波段中，在收和紫外吸收共同作用的结果，光纤通信波段中，在0.8-1.3um0.8-
43、1.3um波段，波段，SiOSiO2 2非晶材料的内部本征吸收小于非晶材料的内部本征吸收小于0.1dB/Km0.1dB/Km，在，在1.3-1.6um1.3-1.6um波段，小于波段，小于0.3dB/Km0.3dB/Km。712 2、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减） 杂质吸收在确定光纤损耗中起着决定性作用。杂质杂质吸收在确定光纤损耗中起着决定性作用。杂质吸收主要有：吸收主要有： （1 1）、碱金属离子吸收衰减。）、碱金属离子吸收衰减。 （2 2）、氢氧根离子吸收衰减。）、氢氧根离子吸收衰减。 （3 3）、由氢气导致的吸收衰减（氢损）。）、由氢气导致的吸收衰减（氢损
44、）。722 2、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）（1 1）、金属离子吸收衰减）、金属离子吸收衰减 金属离子吸收属于一种非本征吸收。过渡金属杂质金属离子吸收属于一种非本征吸收。过渡金属杂质，如，如Fe,Cu,Co,NiFe,Cu,Co,Ni和和CrCr在在0.60.61.6m1.6m波长范围具有强烈波长范围具有强烈的吸收。光纤产生这种损耗的原因是由光纤在拉制形成的吸收。光纤产生这种损耗的原因是由光纤在拉制形成玻璃纤维过程中原料中混有金属离子引起。为了获得小玻璃纤维过程中原料中混有金属离子引起。为了获得小于于1dB/km1dB/km的衰减，过渡金属杂质的含量应该为的衰
45、减，过渡金属杂质的含量应该为十亿分之十亿分之一一(ppb)(ppb)。现在，人们已经可以利用现代提纯技术获得。现在，人们已经可以利用现代提纯技术获得高纯度石英玻璃的材料。高纯度石英玻璃的材料。732 2、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）（2 2）、氢氧根离子吸收衰减）、氢氧根离子吸收衰减 光纤制造中存在一种吸收损耗非常大的光纤制造中存在一种吸收损耗非常大的OHOH羟基吸羟基吸收离子，氢氧根离子吸收也属于一种非本征吸收。它对收离子，氢氧根离子吸收也属于一种非本征吸收。它对低损耗光纤吸收峰值起着唯一决定性作用，它的吸收衰低损耗光纤吸收峰值起着唯一决定性作用，它的吸收衰
46、减机理与过渡金属离子大相径庭。减机理与过渡金属离子大相径庭。OHOH基波吸收振动峰基波吸收振动峰发生在发生在2.73um2.73um附近，而它的谐波均匀地出现在附近，而它的谐波均匀地出现在1.385um1.385um，0.95um0.95um，0.72um0.72um、0.585um0.585um（二、三、四、五次谐波（二、三、四、五次谐波）处，而这些谐波同）处，而这些谐波同SiOSiO4 4四面体基波振动之间又组合出四面体基波振动之间又组合出组合吸收峰，出现在组合吸收峰，出现在1.241.24，1.131.13和和0.88um0.88um处。处。742 2、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）、杂
47、质吸收衰减（非本征吸收衰减）（2 2）、氢氧根离子吸收衰减）、氢氧根离子吸收衰减 OHOH根的吸收谱（浓度根的吸收谱（浓度1010-4-4）752 2、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）（3 3）、由氢气导致的吸收衰减）、由氢气导致的吸收衰减 光纤在氢气氛中将会产生氢损。光纤在氢气氛中将会产生氢损。氢损有二种型式：氢损有二种型式：A A、H H2 2分子由于扩散作用而进入光纤，当光源波长滿足氢分子由于扩散作用而进入光纤，当光源波长滿足氢分子某二个能带的带隙分子某二个能带的带隙Eg=hEg=h的波长时，氢分子将发生的波长时，氢分子将发生吸收光子的作用过程，使光能量降低
48、，由吸收光子的作用过程，使光能量降低，由H H2 2吸收产生能吸收产生能量损耗，即称之为氢损。这种氢损是可逆的，当光纤周量损耗，即称之为氢损。这种氢损是可逆的，当光纤周围的氢气氛消失，光纤产生的氢损会自动的消失。围的氢气氛消失，光纤产生的氢损会自动的消失。H H2 2分分子产生的氢损子产生的氢损H2H2可由公式计算：可由公式计算：H2H2=C =C H2H2（）expexp（2.24/RT2.24/RT） P P （dB/kmdB/km）76B B、由由H H2 2氢生成氢生成OHOH氢氧根离子，使光纤中的氢氧根离子，使光纤中的OHOH含量增加，含量增加，并与光纤中的分子网络结合产生氢损，属不
49、可逆损耗。并与光纤中的分子网络结合产生氢损，属不可逆损耗。OHOH产生的氢损产生的氢损OH-OH-可由下式计算：可由下式计算：OHOH-=C-=COH-OH-（）expexp（-10.79/RT-10.79/RT） Pt Pt （dB/kmdB/km）式中：式中：RR气体常数，气体常数，R=1.986R=1.9861010-3-3（kcal/molkkcal/molk）TT绝对温度（绝对温度（k k）PP光缆中氢分子分压光缆中氢分子分压tt时间（小时）时间（小时）C CH2H2与波长有关的系数，与波长有关的系数，C CH2H2（13101310）=0.0102=0.0102，C C H2H2（
50、15501550）=0.0195=0.0195且且单模与多模光纤相同；单模与多模光纤相同；C COH-OH-与波长有关的系数，多模光纤与波长有关的系数，多模光纤C COH-OH-（13101310）=2.1=2.110104 4，单模光纤，单模光纤C C OH-OH-（15501550）=1.7=1.710105 5772 2、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）（3 3）、由氢气导致的吸收衰减）、由氢气导致的吸收衰减光纤氢损产生的原因有二个：光纤氢损产生的原因有二个：其一，其一，光纤对水和潮气极为敏感。水和潮气渗入光缆中光纤对水和潮气极为敏感。水和潮气渗入光缆中，使
个人主页
