1、光导纤维传输原理及特性 321. 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31. 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
2、 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
3、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。41. 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
4、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。5材料吸收衰减材料吸收衰减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
5、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。61 1、本征吸收衰减、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S
6、i-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；71 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-
7、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。81 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
8、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0.8-1.3um0.8-1.3um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。92 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
9、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）。102 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
10、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。112 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
11、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
12、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。122 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 OHOH根的吸收谱（浓度根的吸收谱（浓度1010-4-4）132 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、
13、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，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（）ex
14、pexp（2.24/RT2.24/RT） P P （dB/kmdB/km）14B 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/mol
15、k）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（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 5152 2、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减）、杂质吸
16、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，使水分与光缆中的金属加强材料发生氧化反应，置换，使水分与光缆中的金属加强材料发生氧化反应，置换出氢气，引起氢损。出氢气，引起氢损。Zn+HZn+H2 2O=HO=H2 2+ZnO +ZnO 其二，其二，光纤防水石油膏（称纤膏）光纤防水石油膏（称纤膏）引入的氢气造成氢引入的氢气造成氢损。损。163 3、原子缺陷吸收衰减（非本征吸收衰减）、原子缺陷吸收衰减（非本征吸收衰减
17、） 原子缺陷吸收衰减是由于光纤在加热过程或者在强原子缺陷吸收衰减是由于光纤在加热过程或者在强烈辐照下，造成玻璃材料受激产生原子缺陷吸收衰减。烈辐照下，造成玻璃材料受激产生原子缺陷吸收衰减。从光纤拉丝成型过程角度分析，当将光纤预制棒加热到从光纤拉丝成型过程角度分析，当将光纤预制棒加热到拉丝所需温度拉丝所需温度1 100-230000-2300时，采用骤冷方法进行光纤时，采用骤冷方法进行光纤拉丝，虽然可在光纤制造过程中，内部原子结构排列形拉丝，虽然可在光纤制造过程中，内部原子结构排列形成时，绕过结晶温度，抑制晶体成核、生长，阻止结晶成时，绕过结晶温度，抑制晶体成核、生长，阻止结晶区的形成，但是还会
18、有极小部分区域产生结晶，这是不区的形成，但是还会有极小部分区域产生结晶，这是不希望的，但实际生产中是不可避免地，在结晶区会形成希望的，但实际生产中是不可避免地，在结晶区会形成晶体常见的结构缺陷晶体常见的结构缺陷, ,如：点缺陷、线缺陷、面缺陷等如：点缺陷、线缺陷、面缺陷等，从而引起吸收光能，造成损耗。，从而引起吸收光能，造成损耗。171. 1.4 4 .1 .3 .2 .1 .3 .2 衰减机理（二）衰减机理（二）- -散散 射射 衰衰 减减散散 射射 衰衰 减减 光物质的散射光物质的散射是指光入射到某种散射物体后在某处是指光入射到某种散射物体后在某处发生极化，并由此发出散射光的现象。当散射光
19、的波长发生极化，并由此发出散射光的现象。当散射光的波长与入射光相同时，称为与入射光相同时，称为弹性散射弹性散射，弹性，弹性散射体尺寸小于散射体尺寸小于入射光的波长时，称为入射光的波长时，称为瑞利散射瑞利散射，弹性弹性散射体尺寸等于散射体尺寸等于入射光波长时而产生的散射称为入射光波长时而产生的散射称为梅耶散射梅耶散射。当散射光的。当散射光的波长与入射光波长不相同时，称为波长与入射光波长不相同时，称为非弹性散射非弹性散射，如布里，如布里渊散射和喇曼散射。渊散射和喇曼散射。181. 1.4 4 .1 .3 .2 .1 .3 .2 衰减机理（二）衰减机理（二）散散 射射 衰衰 减减 散射衰减散射衰减是
20、以散射的形式将传播中的光能辐射出光是以散射的形式将传播中的光能辐射出光纤外的一种损耗。它主要是由于光纤非结晶材料在微观纤外的一种损耗。它主要是由于光纤非结晶材料在微观空间的颗粒状结构和玻璃中存在的气泡、微裂纹、杂质空间的颗粒状结构和玻璃中存在的气泡、微裂纹、杂质及未熔化的生料粒子、结构缺陷等在这种材料上的不均及未熔化的生料粒子、结构缺陷等在这种材料上的不均匀性和光纤尺寸和结构不完善、表面畸变等光波导的结匀性和光纤尺寸和结构不完善、表面畸变等光波导的结构上的不均匀性而引起的光在相应界面上发生散射引起构上的不均匀性而引起的光在相应界面上发生散射引起损耗的现象。光纤在加热过程中产生的缺陷主要包括：损
21、耗的现象。光纤在加热过程中产生的缺陷主要包括：无定形材料结晶、相分离、密度波动等。无定形材料结晶、相分离、密度波动等。19散射衰减散射衰减1 1、材料散射衰减、材料散射衰减2 2、波导散射衰减、波导散射衰减（1 1）线性散射衰减）线性散射衰减（2 2）非线性散射衰减）非线性散射衰减瑞利散射衰减瑞利散射衰减梅耶散射衰减梅耶散射衰减受激布里渊散射受激布里渊散射受激喇曼散射受激喇曼散射（1 1）光纤结构不完善）光纤结构不完善（2 2）芯包界面凹凸不平）芯包界面凹凸不平201 1、材料散射衰减、材料散射衰减（1 1）线性散射衰减）线性散射衰减 线性散射衰减是因为在光纤制造时，熔融态玻璃分子在线性散射衰
22、减是因为在光纤制造时，熔融态玻璃分子在冷却过程中随机的无序热运动引起其结构内部的密度和折射冷却过程中随机的无序热运动引起其结构内部的密度和折射率起伏并产生诸如气泡、杂质、不溶性粒子、晶体结构缺陷率起伏并产生诸如气泡、杂质、不溶性粒子、晶体结构缺陷等材料内部不均匀结构，致使光波在光纤内传播时遇到介质等材料内部不均匀结构，致使光波在光纤内传播时遇到介质不均匀或不连续的界面状态时，在界面上发生光的折射，会不均匀或不连续的界面状态时，在界面上发生光的折射，会有一部分光散射到各个方向，不再沿光纤的芯轴向前传播，有一部分光散射到各个方向，不再沿光纤的芯轴向前传播，这部分光能不能被传输到光纤输出终端，在中途
23、将被损耗掉这部分光能不能被传输到光纤输出终端，在中途将被损耗掉，而产生散射现象，由这种原因产生的散射损耗是由材料自，而产生散射现象，由这种原因产生的散射损耗是由材料自身存在的缺陷而引起，所以它被称为身存在的缺陷而引起，所以它被称为本征材料散射损耗或线本征材料散射损耗或线性散射损耗性散射损耗。211 1、材料散射衰减、材料散射衰减（1 1）线性散射衰减）线性散射衰减- -瑞利散散瑞利散散 瑞利散射瑞利散射是由纤芯材料中存在微小颗粒或气孔等结构不是由纤芯材料中存在微小颗粒或气孔等结构不均匀引起。均匀引起。不均匀粒子、气孔等尺寸远比入射光波长小得多不均匀粒子、气孔等尺寸远比入射光波长小得多，通常小于
24、，通常小于/10/10。材料密度不均匀造成折射率不均匀也会。材料密度不均匀造成折射率不均匀也会引起这种散射衰减，折射率不均匀、起伏是由于光纤制造冷引起这种散射衰减，折射率不均匀、起伏是由于光纤制造冷却过程中有晶格产生，或密度和成分、结构变化引起。同时却过程中有晶格产生，或密度和成分、结构变化引起。同时，温度起伏变化、成分不均匀都会引起这种散射衰减。，温度起伏变化、成分不均匀都会引起这种散射衰减。221 1、材料散射衰减、材料散射衰减（1 1）线性散射衰减）线性散射衰减- -瑞利散散瑞利散散 瑞利散射瑞利散射是引起光纤中散射损耗的主要成因，瑞利是引起光纤中散射损耗的主要成因，瑞利散射具有与波长的
25、散射具有与波长的4 4 成反比的性质，即：成反比的性质，即：R R=（8/38/3）3 3n n1 18 82 2kTkTT T/4 4 式中：式中：R R瑞利衰减系数瑞利衰减系数 ，单位：，单位：dB/kmdB/km 光弹性系数光弹性系数 TT绝对温度绝对温度 n n1 1纤芯折射率纤芯折射率 TT材料的等温压缩系数材料的等温压缩系数 KK玻尔茲曼常数玻尔茲曼常数 工作波长（工作波长（umum）231 1、材料散射衰减、材料散射衰减（1 1）线性散射衰减）线性散射衰减- -瑞利散散瑞利散散由瑞利散射引起的石英玻璃光纤损耗可简化为：由瑞利散射引起的石英玻璃光纤损耗可简化为：R R=C/=C/4
26、 4式中：常数式中：常数C C的大小范围是的大小范围是0.70.70.90.9（dB/kmdB/km） m m4 4, ,与光与光纤纤芯的组成有关。在纤纤芯的组成有关。在1.551.55 m m波段，瑞利散射引起的损波段，瑞利散射引起的损耗仍达耗仍达0.120.120.16dB/km0.16dB/km，仍是该波段损耗的主要原，仍是该波段损耗的主要原因。显然，若能在更长波长区域内工作，瑞利损耗的影因。显然，若能在更长波长区域内工作，瑞利损耗的影响将会减小（响将会减小（3 3 m m处约处约0.01dB/km)0.01dB/km)，但又会受限于石英，但又会受限于石英光纤的材料损耗（红外吸收）。光纤
27、的材料损耗（红外吸收）。241 1、材料散射衰减、材料散射衰减（1 1）线性散射衰减）线性散射衰减- -瑞利散散瑞利散散 经实验验证，光纤瑞利散射损耗主要与下列二因素有关经实验验证，光纤瑞利散射损耗主要与下列二因素有关：材料成分。瑞利散射对材料成分十分敏感，若在材料成分。瑞利散射对材料成分十分敏感，若在SiOSiO2 2中掺中掺杂少量的杂少量的P P2 2O O5 5，将大大减小瑞利散射，如果在掺杂，将大大减小瑞利散射，如果在掺杂P P2 2O O5 5同时，同时，减少减少GeOGeO2 2含量并保持原有相对折射率差含量并保持原有相对折射率差值不变，则瑞利散值不变，则瑞利散射损耗可以进一步降低
28、。射损耗可以进一步降低。光纤芯层和包层相对折射率差光纤芯层和包层相对折射率差值。值。值越大，瑞利散射值越大，瑞利散射损耗就越大。损耗就越大。251 1、材料散射衰减、材料散射衰减（1 1）线性散射衰减）线性散射衰减- -梅耶散射梅耶散射 梅耶散射梅耶散射又称米氏散射，是由与光波波长同样大小又称米氏散射，是由与光波波长同样大小粒子、气孔等引起散射，一般发生在光功率较低时，数粒子、气孔等引起散射，一般发生在光功率较低时，数值与瑞利散射引起损耗值相比太小，故一般将其对光纤值与瑞利散射引起损耗值相比太小，故一般将其对光纤损耗影响忽略不计。损耗影响忽略不计。261 1、材料散射衰减、材料散射衰减（）非线
29、性散射衰减（）非线性散射衰减 如果光纤中光场强过大，那么在大光场强作用下，如果光纤中光场强过大，那么在大光场强作用下，就会产生非线性现象，这时，一种模式的光功率就会转就会产生非线性现象，这时，一种模式的光功率就会转换到其前向或后向传输的其它模式中，或者它本身同一换到其前向或后向传输的其它模式中，或者它本身同一个模式中不同场形中，伴随着模式的转换，频率将会发个模式中不同场形中，伴随着模式的转换，频率将会发生改变。其实质是光波与光纤间的非线性相互作用引起生改变。其实质是光波与光纤间的非线性相互作用引起波长发生漂移，这种效应决定了光纤中传输功率值上波长发生漂移，这种效应决定了光纤中传输功率值上限。受
30、激布里渊散射（限。受激布里渊散射（SBSSBS）和受激喇曼散射（）和受激喇曼散射（SRSSRS）都）都属于这种非线性散射，属于这种非线性散射，在非线性散射中，散射光的频率在非线性散射中，散射光的频率要降低，或光子能量减少。要降低，或光子能量减少。271 1、材料散射衰减、材料散射衰减（）非线性散射衰减（）非线性散射衰减受激喇曼散射受激喇曼散射： 假设散射物分子原来处于电子基态，当受到入射光照射时假设散射物分子原来处于电子基态，当受到入射光照射时，激发光与此分子的作用引起极化可以看作虚的吸收，表述为，激发光与此分子的作用引起极化可以看作虚的吸收，表述为电子跃迁到虚态（电子跃迁到虚态（Virtua
31、l Virtual statestate），虚能级上的电子立即跃迁），虚能级上的电子立即跃迁到下能级而发光，即为散射光。存在三种情况，散射光中既有到下能级而发光，即为散射光。存在三种情况，散射光中既有与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前与入射光频率相同的谱线，也有与入射光频率不同的谱线，前者称为瑞利线，后者称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于者称为瑞利线，后者称为拉曼线。在拉曼线中，又把频率小于入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率入射光频率的谱线称为斯托克斯线，而把频率大于入射光频率的谱线称为反斯托克斯线。的谱线称为反斯托克斯线。281 1、材料散射衰减、材
32、料散射衰减（）非线性散射衰减（）非线性散射衰减受激布里渊散射受激布里渊散射 受激布里渊散射主要是由于入射光功率很高，由光波产生受激布里渊散射主要是由于入射光功率很高，由光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波散射而的电磁伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波散射而产生的。散射光具有发散角小、线宽窄等受激发射的特性。也产生的。散射光具有发散角小、线宽窄等受激发射的特性。也可以把这种受激散射过程看作光子场与声子场之间的相干散射可以把这种受激散射过程看作光子场与声子场之间的相干散射过程。受激布里渊散射有可能在一个信道中引起严重畸变。它过程。受激布里渊散射有可能在一个信道中引起严重
33、畸变。它会朝向源的方向上产生增益。会朝向源的方向上产生增益。291 1、材料散射衰减、材料散射衰减（）非线性散射衰减（）非线性散射衰减 在单信道光通信系统中，入射到光纤中光功率典型值低在单信道光通信系统中，入射到光纤中光功率典型值低于于10mw10mw，所以一般不会产生，所以一般不会产生SRSSRS。对于同一根光纤，喇曼散。对于同一根光纤，喇曼散射阈值较布里渊散射阈值高出约三个数量级。对于一个宽谱射阈值较布里渊散射阈值高出约三个数量级。对于一个宽谱光源和多模光纤而言，布里渊阈值和喇曼阈值都要更大些。光源和多模光纤而言，布里渊阈值和喇曼阈值都要更大些。为抑制为抑制SRSSRS、SBSSBS发生，
34、可通过适当的选择纤芯层直径和信号发生，可通过适当的选择纤芯层直径和信号电平值实现。电平值实现。30、波导散射衰减、波导散射衰减 波导散射波导散射衰减是指光纤波导宏观上不均匀而引起光纤损衰减是指光纤波导宏观上不均匀而引起光纤损耗的增加。产生原因主要是由于波导尺寸、结构上不均匀（耗的增加。产生原因主要是由于波导尺寸、结构上不均匀（如：光纤制造时拉丝速度不一致，造成光纤直径粗细不均如：光纤制造时拉丝速度不一致，造成光纤直径粗细不均匀、截面形状变化等）以及表面畸变引起模式间转换或模式匀、截面形状变化等）以及表面畸变引起模式间转换或模式间耦合所造成的一种衰减。间耦合所造成的一种衰减。31、波导散射衰减、
35、波导散射衰减 光纤波导结构上的缺陷，如芯层光纤波导结构上的缺陷，如芯层包层界面上存在着缺包层界面上存在着缺陷、光纤沉积层缺陷、芯层内含有气泡气疤等都将引起光纤陷、光纤沉积层缺陷、芯层内含有气泡气疤等都将引起光纤波导散射衰减，造成整个光纤损耗系数的上升。这类散射损波导散射衰减，造成整个光纤损耗系数的上升。这类散射损耗产生的主要原因是预制棒熔炼工艺不完善、拉丝工艺不适耗产生的主要原因是预制棒熔炼工艺不完善、拉丝工艺不适合等，造成光纤粗细不均匀、光纤呈椭圆等。目前的光纤制合等，造成光纤粗细不均匀、光纤呈椭圆等。目前的光纤制造水平，可将芯径的变动控制到造水平，可将芯径的变动控制到1%1%，相应的散射损
36、耗，相应的散射损耗0.03dB/km0.03dB/km。32、波导散射衰减、波导散射衰减为降低光纤波导散射衰减，可以从以下几个方面入手：为降低光纤波导散射衰减，可以从以下几个方面入手：熔炼光纤预制棒时，要严格保证它的均匀性；熔炼光纤预制棒时，要严格保证它的均匀性；在拉丝工艺上采取精确措施，保持拉丝光纤直径的均匀性在拉丝工艺上采取精确措施，保持拉丝光纤直径的均匀性；应选择使用高精度、稳定性好的光纤拉丝机。应选择使用高精度、稳定性好的光纤拉丝机。 随着光纤制造工艺和水平的提高，光纤波导的结构、尺随着光纤制造工艺和水平的提高，光纤波导的结构、尺寸、性能日趋瑧善，这种波导散射引起的损耗目前已完全可寸、
37、性能日趋瑧善，这种波导散射引起的损耗目前已完全可以控制。以控制。33光纤弯曲衰减光纤弯曲衰减 光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯宏弯；另一种；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯微弯。1. 1.4 4 .1 .3 .2 .1 .3 .2 衰减机理（三）衰减机理（三）- -光纤弯曲衰光纤弯曲衰减减34宏弯衰减：宏弯衰减：在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地
38、出现弯曲。光纤有一定曲率半径的弯曲时就会产生辐射免地出现弯曲。光纤有一定曲率半径的弯曲时就会产生辐射损耗。当曲率半径减小时，损耗以指数形式增加。损耗。当曲率半径减小时，损耗以指数形式增加。35宏弯衰减：宏弯衰减：光纤宏弯衰减可由下式计算：光纤宏弯衰减可由下式计算：式中：式中：A A和和B B为与光纤参数（芯半径、外径、相对折射率差）为与光纤参数（芯半径、外径、相对折射率差）有关的常数。通常认为，对长期和短期应用，光纤最小弯曲有关的常数。通常认为，对长期和短期应用，光纤最小弯曲半径应分别大于其包层直径的半径应分别大于其包层直径的150150倍和倍和100100倍，对通常包层直倍，对通常包层直径为
39、径为125m125m的光纤，最小弯曲半径分别为的光纤，最小弯曲半径分别为19mm19mm和和13mm13mm。一。一般认为般认为R10cmR10cm时，弯曲损耗即可忽略不计。时，弯曲损耗即可忽略不计。36微弯衰减：微弯衰减：是指光纤轴局部产生的微小畸变，其曲率半是指光纤轴局部产生的微小畸变，其曲率半径与光纤的横截面尺寸相当，它主要是光纤生产过程中产生径与光纤的横截面尺寸相当，它主要是光纤生产过程中产生的一种随机缺陷。其损耗机理和宏弯一致，也是由模式变换的一种随机缺陷。其损耗机理和宏弯一致，也是由模式变换引起的。微弯导致了导播模与泄漏模或非导波模之间的重复引起的。微弯导致了导播模与泄漏模或非导波
40、模之间的重复性能量耦合。微弯衰减是不可避免的，如不当心会达到无法性能量耦合。微弯衰减是不可避免的，如不当心会达到无法容忍的程度。它是光缆设计与成缆工艺中必须认真处理的问容忍的程度。它是光缆设计与成缆工艺中必须认真处理的问题。题。37微弯损耗微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均；成缆时受到压力不均；使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同。导致的后果：造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套38微弯损耗光纤的微弯衰减可利用下式计算：式中：N随机微弯的个数；h微弯凸起的高度；Ec涂覆层材料的杨氏模量；Ef光钎材料的杨氏模量a光波导一半宽
41、度；b光纤包层外径； 相对折射率差；N（h2）h的统计平均值。39光纤实现互连的方式光纤实现互连的方式 在光纤之间实现互连主要有两种方式。在光纤之间实现互连主要有两种方式。一种一种是用连接器是用连接器实现光纤的活动连接，它可以多次反复插拔装接。光纤通信实现光纤的活动连接，它可以多次反复插拔装接。光纤通信系统的光端机和许多光纤光缆性能检测仪器都装有光纤连接系统的光端机和许多光纤光缆性能检测仪器都装有光纤连接器接口，对装有光纤连接头的光纤，可以直接与这些端机或器接口，对装有光纤连接头的光纤，可以直接与这些端机或仪器相接，使用十分方便。仪器相接，使用十分方便。另外一种另外一种光纤连接方式是固定连光纤
42、连接方式是固定连接或者永久性连接，这是一种得到广泛应用的光纤连接方式接或者永久性连接，这是一种得到广泛应用的光纤连接方式，在光纤链路构成中得到最广泛的应用。，在光纤链路构成中得到最广泛的应用。1. 1.4 4 .1 .3 .2 .1 .3 .2 衰减机理（四）衰减机理（四）- -光纤接头衰减光纤接头衰减40光纤接头衰减光纤接头衰减光纤连接的几种方法光纤连接的几种方法套管连接套管连接 光纤经过去除涂层、清洁处理后，插入图中所示的套管光纤经过去除涂层、清洁处理后，插入图中所示的套管，直到两个端面接触。一般地需要在切割好的光纤端面上先，直到两个端面接触。一般地需要在切割好的光纤端面上先蘸上折射率匹配
43、材料再进行对接。套管的内径应与光纤外径蘸上折射率匹配材料再进行对接。套管的内径应与光纤外径相当，这样可得到满意的连接效果。相当，这样可得到满意的连接效果。套管连接 41光纤接头衰减光纤接头衰减光纤连接的几种方法光纤连接的几种方法V V形槽连接形槽连接 将处理好的光纤放入将处理好的光纤放入V V形槽内，放上盖板，然后轻轻推形槽内，放上盖板，然后轻轻推插光纤，使两个端面接触到。必要时端面之间应加注匹配材插光纤，使两个端面接触到。必要时端面之间应加注匹配材料。料。V V形槽的深浅和光纤外径的一致性将保证可以获得满意形槽的深浅和光纤外径的一致性将保证可以获得满意的连接效果。的连接效果。V形槽连接 42
44、光纤接头衰减光纤接头衰减光纤连接的几种方法光纤连接的几种方法三棒连接三棒连接 图中表示出了三棒的放置，棒的直径约为光纤外径的图中表示出了三棒的放置，棒的直径约为光纤外径的6.56.5倍，外面套有弹性材料，用以固定棒的位置。用类似于倍，外面套有弹性材料，用以固定棒的位置。用类似于套管连接的方法使光纤在三棒的空隙中对接。套管连接的方法使光纤在三棒的空隙中对接。三棒连接 43光纤接头衰减光纤接头衰减光纤连接的几种方法光纤连接的几种方法熔融连接熔融连接 用电弧、火焰或激光加热要连接的光纤的两个端面（已用电弧、火焰或激光加热要连接的光纤的两个端面（已处理过的），使它们熔融直至处理过的），使它们熔融直至“
45、烧结烧结”在一起。这种方法连在一起。这种方法连接光纤都是在专门的光纤熔接机上完成的。接光纤都是在专门的光纤熔接机上完成的。光纤焊接机构 44光纤接头衰减光纤接头衰减引起光纤的引起光纤的接头衰减接头衰减原因有如下二点：原因有如下二点：光纤加工公差引起的光纤固有损耗：光纤加工公差引起的光纤固有损耗： 因光纤制造公差，即光纤纤芯尺寸、模场半径、数值孔因光纤制造公差，即光纤纤芯尺寸、模场半径、数值孔径、纤芯径、纤芯/ /包层同心度和折射率分布失配等因素产生的光纤包层同心度和折射率分布失配等因素产生的光纤固有损耗。由这些因素所引起的光纤对接损耗，一般是无法固有损耗。由这些因素所引起的光纤对接损耗，一般是
46、无法通过连接技术来改善的。通过连接技术来改善的。45光纤接头衰减光纤接头衰减光纤连接器加工装配公差引起的外部衰减：光纤连接器加工装配公差引起的外部衰减： 由光纤连接器装配公差、即端面间隙、轴线倾角、横向由光纤连接器装配公差、即端面间隙、轴线倾角、横向偏移、菲涅尔反射及端面加工粗糙等原因引起的光纤损耗。偏移、菲涅尔反射及端面加工粗糙等原因引起的光纤损耗。这类因素所引起的连接损耗可通过连接技术的改进得到改这类因素所引起的连接损耗可通过连接技术的改进得到改善。善。46光纤接头衰减光纤接头衰减1 1芯层（或模场）尺寸失配衰减芯层（或模场）尺寸失配衰减 相邻两光纤的纤芯层（或模场）直径尺寸不同产生失配相
47、邻两光纤的纤芯层（或模场）直径尺寸不同产生失配引起的光纤接续衰减，可由下式计算：引起的光纤接续衰减，可由下式计算：单模光纤：单模光纤：L Lc1c120log20log（WrWr2 2WsWs2 2）/2WrWs/2WrWs (dB) (dB) 多模光纤：多模光纤：L Lc1c120logDs/Dr20logDs/Dr (dB)(dB)式中式中 ：WrWr接收光纤模场半径接收光纤模场半径WsWs发射光纤模场半径发射光纤模场半径DsDs发射光纤纤芯直径发射光纤纤芯直径 DrDr接受光纤纤芯直径接受光纤纤芯直径47光纤接头衰减光纤接头衰减2 2数值孔径失配衰减：数值孔径失配衰减： 相邻两光纤数值孔
48、径值不同相邻两光纤数值孔径值不同时时，产生数值孔径失配接续，产生数值孔径失配接续衰减，可由下式计算：衰减，可由下式计算：L Lc2c210log(N10log(N A)A)S S/(N/(N A)A)r r (dB) (dB) 式中：式中：（N N A)A)S S-发射光纤数值孔径发射光纤数值孔径(N(N A)r-A)r-接受光纤数值孔径接受光纤数值孔径48光纤接头衰减光纤接头衰减折射率分布失配产生的衰减折射率分布失配产生的衰减 相邻两光纤折射率分布形式不同。例如：一个为阶跃分相邻两光纤折射率分布形式不同。例如：一个为阶跃分布，一个为梯度分布，由此产生的折射率失配衰减。可由下布，一个为梯度分布
49、，由此产生的折射率失配衰减。可由下式计算：式计算：L Lc3c310logg10loggs s(g(gr r+1)/g+1)/gr r(g(gs s+1)+1) (dB)(dB)式中：式中：g gs s发射光纤折射率分布指数；发射光纤折射率分布指数；g gr r接受光纤折射率分布指数接受光纤折射率分布指数49光纤接头衰减光纤接头衰减端面间隙衰减端面间隙衰减 相邻两光纤端面连接时，中间存在一定距离的间隙相邻两光纤端面连接时，中间存在一定距离的间隙d d，由此产生的衰减。可由下式计算：由此产生的衰减。可由下式计算：多模光纤：多模光纤：L Lc4c420logD20logDf f/2/D/2/Df
50、f/2+dtg(sin/2+dtg(sin-1-1NA/nNA/n) 单单模光纤：模光纤：L Lc4c410log(1+2Z10log(1+2Z2 2) )2 2+Z+Z2 2/(1+4Z/(1+4Z2 2) 式中：式中：WW模场半径模场半径dd间隙距离间隙距离D Df f光纤直径光纤直径N N AA数值孔径数值孔径Z Zd/2nd/2nf fw w2 2n nf f光纤折射率光纤折射率50光纤接头衰减光纤接头衰减5 5轴线倾角衰减轴线倾角衰减 两相邻光纤间在接续时端面轴线上存在一个倾斜角度两相邻光纤间在接续时端面轴线上存在一个倾斜角度，而引起的衰减。，而引起的衰减。51光纤接头衰减光纤接头衰
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