光导纤维传输原理及特性3.pptx
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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
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- 光导纤维 传输 原理 特性