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光纖衰減的原因分析

2017-01-12 16:33:59來源:太平洋安防網已被 人閱讀

內容摘要:  造成光纖衰減的主要因素有:本征,彎曲,擠壓,雜質,不均勻和對接等。本征:是光纖的固有損耗,包括:瑞利散射,固有吸收等
  造成光纖衰減的主要因素有:本征,彎曲,擠壓,雜質,不均勻和對接等。本征:是光纖的固有損耗,包括:瑞利散射,固有吸收等。彎曲:光纖彎曲時部分光纖內的光會因散射而損失掉,造成損耗。擠壓:光纖受到擠壓時產生微小的彎曲而造成的損耗。雜質:光纖內雜質吸收和散射在光纖中傳播的光,造成的損失。不均勻:光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。對接:光纖對接時產生的損耗,如:不同軸(單模光纖同軸度要求小于0.8μm),端面與軸心不垂直,端面不平,對接心徑不匹配和熔接質量差等。

  當光從光纖的一端射入,從另一端射出時,光的強度會減弱。這意味著光信號通過光纖傳播后,光能量衰減了一部分。這說明光纖中有某些物質或因某種原因,阻擋光信號通過。這就是光纖的傳輸損耗。只有降低光纖損耗,才能使光信號暢通無阻。

  光纖損耗大致可分為光纖具有的固有損耗以及光纖制成后由使用條件造成的附加損 耗。具體細分如下:

  光纖損耗可分為固有損耗和附加損耗,固有損耗包括散射損耗、吸收損耗和因光纖結構不完善引起的損耗,附加損耗則包括微彎損耗、彎曲損耗和接續損耗。

  其中,附加損耗是在光纖的鋪設過程中人為造成的。在實際應用中,不可避免地要將光纖一根接一根地接起來,光纖連接會產生損耗。光纖微小彎曲、擠壓、拉伸受力也會引起損耗。這些都是光纖使用條件引起的損耗。究其主要原因是在這些條件下,光纖纖芯中的傳輸模式發生了變化。附加損耗是可以盡量避免的。下面,我們只討論光纖的固有損耗。

  固有損耗中,散射損耗和吸收損耗是由光纖材料本身的特性決定的,在不同的工作波長下引起的固有損耗也不同。搞清楚產生損耗的機理,定量地分析各種因素引起的損耗的大小,對于研制低損耗光纖合理使用光纖有著極其重要的意義。

  1、材料的吸收損耗
  制造光纖的材料能夠吸收光能。光纖材料中的粒子吸收光能以后,產生振動、發熱,而將能量散失掉,這樣就產生了吸收損耗。在光纖中,當某一能級的電子受到與該能級差相對應的波長的光照射時,則位于低能級軌道上的電子將躍遷到能級高的軌道上。這一電子吸收了光能,就產生了光的吸收損耗。

  2、散射損耗
  在黑夜里,用手電筒向空中照射,可以看到一束光柱。人們也曾看到過夜空中探照燈發出粗大光柱。

  那么,為什么我們會看見這些光柱呢?這是因為有許多煙霧、灰塵等微小顆粒浮游于大氣之中,光照射在這些顆粒上,產生了散射,就射向了四面八方。這個現象是由瑞利最先發現的,所以人們把這種散射命名為"瑞利散射"。

  散射是怎樣產生的呢?原來組成物質的分子、原子、電子等微小粒子是以某些固有頻率進行振動的,并能釋放出波長與該振動頻率相應的光。粒子的振動頻率由粒子的大小來決定。粒子越大,振動頻率越低,釋放出的光的波長越長;粒子越小,振動頻率越高,釋放出的光的波長越短。這種振動頻率稱做粒子的固有振動頻率。但是這種振動并不是自行產生,它需要一定的能量。一旦粒子受到具有一定波長的光照射,而照射光的頻率與該粒子固有振動頻率相同,就會引起共振。粒子內的電子便以該振動頻率開始振動,結果是該粒子向四面八方散射出光,入射光的能量被吸收而轉化為粒子的能量,粒子又將能量重新以光能的形式射出去。因此,對于在外部觀察的人來說,看到的好像是光撞到粒子以后,向四面八方飛散出去了。

  光纖內也有瑞利散射,由此而產生的光損耗就稱為瑞利散射損耗。鑒于目前的光纖制造工藝水平,可以說瑞利散射損耗是無法避免的。但是,由于瑞利散射損耗的大小與光波長的4次方成反比,所以光纖工作在長波長區時,瑞利散射損耗的影響可以大大減小。

  3、先天不足,愛莫能助
  光纖結構不完善,如由光纖中有氣泡、雜質,或者粗細不均勻,特別是芯-包層交界面不平滑等,光線傳到這些地方時,就會有一部分光散射到各個方向,造成損耗。這種損耗是可以想辦法克服的,那就是要改善光纖制造的工藝。 散射使光射向四面八方,其中有一部分散射光沿著與光纖傳播相反的方向反射回來,在光纖的入射端可接收到這部分散射光。光的散射使得一部分光能受到損失,這是人們所不希望的。但是,這種現象也可以為我們所利用,因為如果我們在發送端對接收到的這部分光的強弱進行分析,可以檢查出這根光纖的斷點、缺陷和損耗大小。這樣,通過人的聰明才智,就把壞事變成了好事.

  光纖的損耗近年來,光纖通信在許多領域得到了廣泛的應用。實現光纖通信,一個重要的問題是盡可能地降低光纖的損耗。所謂損耗是指光纖每單位長度上的衰減,單位為dB/km。光纖損耗的高低直接影響傳輸距離或中繼站間隔距離的遠近,因此,了解并降低光纖的損耗對光纖通信有著重大的現實意義。

  4、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,由于熱騷動,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。

  5、波導散射損耗
  這是由于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。一種模式由于交界面的起伏,會產生其他傳輸模式和輻射模式。由于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后,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,即由于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,就要提高光纖制造工藝。對于拉得好或質量高的光纖,基本上可以忽略這種損耗。

  6、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后,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。當彎曲半徑大于5~10cm時,由彎曲造成的損耗可以忽略。
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