簡介
儘管光波有著極大的頻寬,但在1961-1970年,人們主要研究利用大氣傳輸光信號,實踐證明,由於受到氣候環境的嚴重影響,無法實現正常的通信。在人們考慮的其它傳輸介質中,用石英玻璃材料製成的光導纖維即光纖來傳輸光信號成為研究的重點。但是當時普通石英玻璃材料的損耗高達1000dB/km,傳輸距離很有限。1966年7月,英國標準電信研究所的英藉華人高錕(K.C.Kao)博士和霍克哈姆(G.A.HocKham)博士根據介質波導理論指出:光纖的高損耗並不是其本身固有的,而是由材料中所含的雜質引起的。並預言如果降低材料中的雜質含量,可使得光纖的損耗降至20dB/km,甚至更小。1970年,美國康寧(Corning)玻璃有限公司成功地研製了損耗為20dB/km的低損耗石英光纖,這使得光纖完全能勝任作為傳輸光波的傳輸媒介,也開闢了光纖通信的新紀元。概念及分類
一、光纖的吸收損耗
這是由於光纖材料和雜質對光能的吸收而引起的,它們把光能以熱能的形式消耗於光纖中,是光纖損耗中重要的損耗,吸收損耗包括以下幾種:
1、物質本徵吸收損耗
這是由於物質固有的吸收引起的損耗。它有兩個頻帶,一個在近紅外的8~12μm區域裡,這個波段的本徵吸收是由於振動。另一個物質固有吸收帶在紫外波段,吸收很強時,它的尾巴會拖到0.7~1.1μm波段里去。
(1)紫外吸收
光纖材料的電子吸收入射光能量躍遷到高的能級,同時引起入射光的能量損耗,一般發生在短波長範圍。
(2)紅外吸收
光波與光纖晶格相互作用,一部分光波能量傳遞給晶格,使其振動加劇,從而引起的損耗。
(3)本徵吸收曲線
2、摻雜劑和雜質離子引起的吸收損耗
光纖材料中含有躍遷金屬如鐵、銅、鉻等,它們有各自的吸收峰和吸收帶並隨它們價態不同而不同。由躍遷金屬離子吸收引起的光纖損耗取決於它們的濃度。另外,OH-存在也產生吸收損耗,OH-的基本吸收極峰在2.7μm附近,吸收帶在0.5~1.0μm範圍。對於純石英光纖,雜質引起的損耗影響可以不考慮。
解決方法:(1)光纖材料化學提純,比如達到99.9999999%的純度。(2)製造工藝上改進,如避免使用氫氧焰加熱(汽相軸向沉積法)
3、原子缺陷吸收損耗
光纖材料由於受熱或強烈的輻射,它會受激而產生原子的缺陷,造成對光的吸收,產生損耗,但一般情況下這種影響很小。
二、光纖的散射損耗
光纖內部的散射,會減小傳輸的功率,產生損耗。散射中最重要的是瑞利散射,
它是由光纖材料內部的密度和成份變化而引起的。
光纖材料在加熱過程中,由於熱騷動,使原子得到的壓縮性不均勻,使物質的密度不均勻,進而使折射率不均勻。這種不均勻在冷卻過程中被固定下來,它的尺寸比光波波長要小。光在傳輸時遇到這些比光波波長小,帶有隨機起伏的不均勻物質時,改變了傳輸方向,產生散射,引起損耗。另外,光纖中含有的氧化物濃度不均勻以及摻雜不均勻也會引起散射,產生損耗。
三、波導散射損耗
這是由於交界面隨機的畸變或粗糙所產生的散射,實際上它是由表面畸變或粗糙所引起的模式轉換或模式耦合。一種模式由於交界面的起伏,會產生其他傳輸模式和輻射模式。由於在光纖中傳輸的各種模式衰減不同,在長距離的模式變換過程中,衰減小的模式變成衰減大的模式,連續的變換和反變換後,雖然各模式的損失會平衡起來,但模式總體產生額外的損耗,即由於模式的轉換產生了附加損耗,這種附加的損耗就是波導散射損耗。要降低這種損耗,就要提高光纖製造工藝。對於拉得好或質量高的光纖,基本上可以忽略這種損耗。目前的製造工藝基本可以克服波導散射。
商用的多模光纖與單模光纖的損耗譜比較
多模光纖的損耗大於單模光纖:
-多模光纖摻雜濃度高以獲得較大的數值孔徑(本徵散射大)
-由於纖芯-包層邊界的微擾,多模光纖容易產生高階模式損耗
四、光纖彎曲產生的輻射損耗
光纖是柔軟的,可以彎曲,可是彎曲到一定程度後,光纖雖然可以導光,但會使光的傳輸途徑改變。由傳輸模轉換為輻射模,使一部分光能滲透到包層中或穿過包層成為輻射模向外泄漏損失掉,從而產生損耗。當彎曲半徑大於5~10cm時,由彎曲造成的損耗可以忽略。
宏彎:曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲
微彎:光纖軸線產生微米級的高頻彎曲
光纖損耗的度量
總的來說,光信號在光纖中傳播的時候,其功率隨距離L的增加呈指數衰減:
那么,評價光纖損耗特性可以通過損耗係數來衡量。光纖的損耗係數定義為:
其中L為光纖長度,Pin和Pout分別為輸入和輸出光功率。一般標準單模光纖在1550nm的損耗係數為0.2dB/km。