第四章光纤的特性-1.pptVIP

第4章光纤的特性;4. 1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(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 ; 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:; 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。 ; 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;(4.6);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 ;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)。 ①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0.16μm处，其尾部延伸到光纤通信波段(0.8 ~1. 6 μmm)，参见图4. 1。在1. 3~1.55μm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9.1μm，12.5μm和21μm其带尾向短波长的光纤通信的近红外波段1.5 ~1.7 μm延伸。在 =1. 55 μm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。 ②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(