光纤中的信号劣化

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1、第三章光纤中的信号劣化3.1光纤的损耗特性3.2光纤的色散特性3.4单模光纤的优化设计相关问题：光纤中信号衰减的机理是什么样的？为什么光信号在光纤中传播的时候会产生失真？失真会严重到什么程度？即使是最好的光纤，光从它的一端传到另一端，强度也会有所减弱。光纤中的信号劣化与光纤的传输特性有关。光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性、色散特性和非线性特性。3.1光纤的损耗特性光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗（或衰减）。光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗主要取决于吸收损

2、耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。3.1.1吸收损耗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(OH－)等杂质对光的吸收而产生的损耗，包括:本征吸收损耗杂质吸收损耗原子缺陷吸收损耗1.本征吸收损耗本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。(1)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。吸收峰在0.16m,尾巴延伸至光纤通信波段,在短波长区达1dB/km,长波长区约0.05dB/km。(2)红外吸收损耗红外吸收损耗是由

3、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。Si-O键振动吸收,谐振吸收峰在9.1、12.5、21m，尾巴延伸至1.5~1.7m，造成光纤工作波长的上限。2.杂质吸收损耗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－。OH离子吸收：O-H键的基本谐振波长为2.73m，与Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24、0.95m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。金属离子吸收：金属杂质的电子结构产生

4、的边带吸收峰（0.5~1.1m)，目前杂质含量低于10-9，其影响已可忽略。OH－吸收峰解决方法：(1)对制造光纤的材料进行严格的化学提纯，比如材料达到99.9999999%的纯度(2)制造工艺上改进，如避免使用氢氧焰加热(汽相轴向沉积法)3.原子缺陷吸收损耗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。1rad(Si)=0.01J/kg800人死亡光纤吸收损耗曲线掺GeO2的低损耗、低OH

5、¯含量石英光纤OH－0.154dB/km几种掺杂成分不同的光纤的损耗比较3.1.2散射损耗空气中浮游着无数的烟雾、尘粒，光照射到这些微粒上，微粒把光朝四面八方散射，微粒越多，光柱越亮，光的散射损耗越大，照射的距离也就越短。这种散射叫分子散射。一切物质都由分子构成，光纤材料也不例外，所以散射损耗不可避免。另有一种散射是由光纤材料的内部结构不完整所引起，比如光纤中有气泡、杂质，粗细不均匀，特别是纤芯包层的界面不平滑，光传输到这里，也会被散射到各个方面。1.线性散射损耗任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等等

6、，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。(1)瑞利散射由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的损耗称为瑞利散射损耗。瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。光纤在加热制造过程中的热骚动，造成材料密度不均匀，进而造成折射率的不均匀（比光波长小的尺度上的随机变化），引起光的散射--瑞利散射。大小与4成反比。在1.55m波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.12

7、~0.16dB/km，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，瑞利损耗的影响将会减小（3m处约0.01dB/km)，但受限于石英光纤的材料损耗（红外吸收）。采用新型材料的光纤可望在远红外区域获得更低的损耗－氟化物光纤。(2)波导散射损耗在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等等。光纤芯径沿轴向不均匀（大于光波长尺度）造成导模和辐射模间的能量耦合，使能量从导模转移到辐射模，造成波导散射损耗（又称米氏散射

8、），目前的光纤制造水平，可将芯径的变动控制到<1%，相应的散射损耗<0.03dB/km，可以忽略。2.非线性散射损耗当光通信系统运行于高能级(>几毫瓦），且比特率>2.5Gb/s，需要考虑非线性效应。光纤中存在两种非线性