光纤衰减机制解析

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1 光纤衰减机制

当光从光纤的一端射入,从另一端射出时,光的强度会减弱。这意味着光信号通过光纤传播后,光能量衰减了一部分。这说明光纤中有某些物质或因某种原因,阻挡光信号通过。这就是光纤的传输损耗。只有降低光纤损耗,才能使光信号畅通无阻。 

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在ZBLAN和二氧化硅光纤内的光衰减。 

2 光纤损耗系数

为了衡量一根光纤损耗特性的好坏,在此引入损耗系数(或称为衰减系数)的概念,即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数,一般用α表示损耗系数,单位是dB/km。

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光纤自动损耗测试仪

数学表达式:

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式中:L为光纤长度,以km为单位;P1和P2分别为光纤的输入和输出光功率,以mW或μW为单位。

3 造成光纤衰减的主要因素

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光纤衰减是阻碍数字信号远距离传输的一个重要因素。光纤损耗的高低直接影响传输距离或中继站间隔距离的远近。 

造成光纤衰减的主要因素有:

本征,弯曲,挤压,杂质,不均匀和对接等。

本征:是光纤的固有损耗,包括:瑞利散射,固有吸收等。 

弯曲:光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉,造成损耗。 

挤压:光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。 

杂质:光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光,造成的损失。 

不均匀:光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。 

对接:光纤对接时产生的损耗,如:不同轴(单模光纤同轴度要求小于0.8μm),端面与轴心不垂直,端面不平,对接心径不匹配和熔接质量差等。 

4 光纤损耗的分类 

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光纤损耗大致可分为光纤具有的固有损耗以及光纤制成后由使用条件造成的附加损耗。具体细分如下: 

●光纤损耗可分为固有损耗和附加损耗。 

●固有损耗包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗。 

●附加损耗则包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗。

4.1 附加损耗

附加损耗是在光纤的铺设过程中人为造成的。在实际应用中,不可避免地要将光纤一根接一根地接起来,光纤连接会产生损耗。光纤微小弯曲、挤压、拉伸受力也会引起损耗。这些都是光纤使用条件引起的损耗。究其主要原因是在这些条件下,光纤纤芯中的传输模式发生了变化。附加损耗是可以尽量避免的。

附加损耗包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗。

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光纤的弯曲

光纤的弯曲有两种形式:

●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宏弯;

●光纤轴线产生微米级的弯曲,这种高频弯曲习惯称为微弯。

4.2 固有损耗 

固有损耗中,散射损耗和吸收损耗是由光纤材料本身的特性决定的,在不同的工作波长下引起的固有损耗也不同。搞清楚产生损耗的机理,定量地分析各种因素引起的损耗的大小,对于研制低损耗光纤合理使用光纤有着极其重要的意义。

4.2.1 吸收损耗  

制造光纤的材料能够吸收光能。光纤材料中的粒子吸收光能以后,产生振动、发热,而将能量散失掉,这样就产生了吸收损耗。我们知道,物质是由原子、分子构成的,而原子又由原子核和核外电子组成,电子以一定的轨道围绕原子核旋转。这就像我们生活的地球以及金星、火星等行星都围绕太阳旋转一样,每一个电子都具有一定的能量,处在某一轨道上,或者说每一轨道都有一个确定的能级。距原子核近的轨道能级较低,距原子核越远的轨道能级越高。轨道之间的这种能级差别的大小就叫能级差。当电子从低能级向高能级跃迁时,就要吸收相应级别的能级差的能量。

在光纤中,当某一能级的电子受到与该能级差相对应的波长的光照射时,则位于低能级轨道上的电子将跃迁到能级高的轨道上。这一电子吸收了光能,就产生了光的吸收损耗。

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制造光纤的基本材料二氧化硅(SiO2)本身就吸收光,一个叫紫外吸收,另外一个叫红外吸收。目前光纤通信一般仅工作在0.8~1.6μm波长区,因此我们只讨论这一工作区的损耗。 

光纤材料会选择性地吸收某些特定波长的光波,这也会造成衰减或信号损失。吸收光波的机制类似颜色显现的机制。 

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紫外吸收损耗

紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时,光子流中的能量将被电子吸收,从而引起的损耗。

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红外吸收损耗

红外吸收损耗是由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时,一部分光波能量传递给晶格,使其振动加剧,从而引起的损耗

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石英玻璃中电子跃迁产生的吸收峰在紫外区的0.1~0.2μm波长左右。随着波长增大,其吸收作用逐渐减小,但影响区域很宽,直到1μm以上的波长。不过,紫外吸收对在红外区工作的石英光纤的影响不大。例如,在0.6μm波长的可见光区,紫外吸收可达1dB/km,在0.8μm波长时降到0.2~0.3dB/km,而在1.2μm波长时,大约只有0.ldB/km。 

石英光纤的红外吸收损耗是由红外区材料的分子振动产生的。在2μm以上波段有几个振动吸收峰。

杂质吸收损耗

杂质吸收损耗指光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子,如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH-等对光的吸收而产生的损耗。

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由于受光纤中各种掺杂元素的影响,石英光纤在2μm以上的波段不可能出现低损耗窗口,在1.85μm波长的理论极限损耗为ldB/km。 

通过研究,还发现石英玻璃中有一些"破坏分子"在捣乱,主要是一些有害过渡金属杂质,如铜、铁、铬、锰等。这些"坏蛋"在光照射下,贪婪地吸收光能,乱蹦乱跳,造成了光能的损失。清除"捣乱分子",对制造光纤的材料进行格的化学提纯,就可以大大降低损耗。 

石英光纤中的另一个吸收源是氢氧根(OHˉ) 期的研究,人们发现氢氧根在光纤工作波段上有三个吸收峰,它们分别是0.95μm、1.24μm和1.38μm,其中1.38μm波长的吸收损耗最为严重,对光纤的影响也最大。在1.38μm波长,含量仅占0.0001的氢氧根产生的吸收峰损耗就高达33dB/km。 

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这些氢氧根是从哪里来的呢?氢氧根的来源很多,一是制造光纤的材料中有水分和氢氧化合物,这些氢氧化合物在原料提纯过程中不易被清除掉,最后仍以氢氧根的形式残留在光纤中;二是制造光纤的氢氧物中含有少量的水分;三是光纤的制造过程中因化学反应而生成了水;四是外界空气的进入带来了水蒸气。然而,现在的制造工艺已经发展到了相当高的水平,氢氧根的含量已经降到了足够低的程度,它对光纤的影响可以忽略不计了。 

原子缺陷吸收损耗

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通常在光纤的制造过程中,光纤材料受到某种热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷,此时晶格很容易在光场的作用下产生振动,从而吸收光能,引起损耗,其峰值吸收波长约为630nm左右。

4.2.2 散射损耗  

在黑夜里,用手电筒向空中照射,可以看到一束光柱。人们也曾看到过夜空中探照灯发出粗大光柱。 

那么,为什么我们会看见这些光柱呢?这是因为有许多烟雾、灰尘等微小颗粒浮游于大气之中,光照射在这些颗粒上,产生了散射,就射向了四面八方。这个现象是由瑞利最先发现的,所以人们把这种散射命名为"瑞利散射"。 

因为光线的全反射,光线可以传输于光纤核心。粗糙、不规则的表面,甚至在分子层次,也会使光线往随机方向反射,称这现象为漫反射或光散射 。特征通常是多种不同的反射角。

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散射是怎样产生的呢?原来组成物质的分子、原子、电子等微小粒子是以某些固有频率进行振动的,并能释放出波长与该振动频率相应的光。粒子的振动频率由粒子的大小来决定。粒子越大,振动频率越低,释放出的光的波长越长;粒子越小,振动频率越高,释放出的光的波长越短。这种振动频率称做粒子的固有振动频率。但是这种振动并不是自行产生,它需要一定的能量。一旦粒子受到具有一定波长的光照射,而照射光的频率与该粒子固有振动频率相同,就会引起共振。粒子内的电子便以该振动频率开始振动,结果是该粒子向四面八方散射出光,入射光的能量被吸收而转化为粒子的能量,粒子又将能量重新以光能的形式射出去。因此,对于在外部观察的人来说,看到的好像是光撞到粒子以后,向四面八方飞散出去了。 

光纤内也有瑞利散射,由此而产生的光损耗就称为瑞利散射损耗。鉴于目前的光纤制造工艺水平,可以说瑞利散射损耗是无法避免的。但是,由于瑞利散射损耗的大小与光波长的4次方成反比,所以光纤工作在长波长区时,瑞利散射损耗的影响可以大大减小。 

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4.2.3 因光纤结构不完善引起的损耗   

光纤结构不完善,如由光纤中有气泡、杂质,或者粗细不均匀,特别是芯-包层交界面不平滑等,光线传到这些地方时,就会有一部分光散射到各个方向,造成损耗。这种损耗是可以想办法克服的,那就是要改善光纤制造的工艺。 

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散射使光射向四面八方,其中有一部分散射光沿着与光纤传播相反的方向反射回来,在光纤的入射端可接收到这部分散射光。光的散射使得一部分光能受到损失,这是人们所不希望的。但是,这种现象也可以为我们所利用,因为如果我们在发送端对接收到的这部分光的强弱进行分析,可以检查出这根光纤的断点、缺陷和损耗大小。这样,通过人的聪明才智,就把坏事变成了好事。

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光纤通信在许多领域得到了广泛的应用。实现光纤通信,一个重要的问题是尽可能地降低光纤的损耗。所谓损耗是指光纤每单位长度上的衰减,单位为dB/km。光纤损耗的高低直接影响传输距离或中继站间隔距离的远近,因此,了解并降低光纤的损耗对光纤通信有着重大的现实意义。

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