光纖通信技術(shù)革新的重要性

精品文檔-下載后可編輯光纖通信技術(shù)革新的重要性所謂光纖損耗是指光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，其光功率逐漸下降的現(xiàn)象。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。固有損耗包括吸收損耗、散射損耗和因光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的損耗。附加損耗則包括彎曲損耗和接續(xù)損耗。

1、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(chǎn)生振動(dòng)、發(fā)熱，而將能量散失掉，這樣就產(chǎn)生了吸收損耗。我們知道，物質(zhì)是由原子、分子構(gòu)成的，而原子又由原子核和核外電子組成，電子以一定的軌道圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。這就像我們生活的地球以及金星、火星等行星都圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)一樣，每一個(gè)電子都具有一定的能量，處在某一軌道上，或者說(shuō)每一軌道都有一個(gè)確定的能級(jí)。距原子核近的軌道能級(jí)較低，距原子核越遠(yuǎn)的軌道能級(jí)越高。軌道之間的這種能級(jí)差別的大小就叫能級(jí)差。當(dāng)電子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)，就要吸收相應(yīng)級(jí)別的能級(jí)差的能量。在光纖中，當(dāng)某一能級(jí)的電子受到與該能級(jí)差相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的光照射時(shí)，則位于低能級(jí)軌道上的電子將躍遷到能級(jí)高的軌道上。這一電子吸收了光能，就產(chǎn)生了光的吸收損耗。根據(jù)吸收材料的不同，吸收損耗又分為本征吸收損耗和雜質(zhì)吸收損耗。

1.1本征吸收損耗

本征吸收損耗是制造光纖的基本材料二氧化硅（SiO2）的吸收而引起的，分為紫外吸收和紅外吸收。目前光纖通信一般僅工作在0.8～1.6μm波長(zhǎng)區(qū)，因此我們只討論這一工作區(qū)的損耗。石英玻璃中電子躍遷產(chǎn)生的吸收峰在紫外區(qū)的0.1～0.2μm波長(zhǎng)左右。隨著波長(zhǎng)增大，其吸收作用逐漸減小，但影響區(qū)域很寬，直到1μm以上的波長(zhǎng)。不過(guò)，紫外吸收對(duì)在紅外區(qū)工作的石英光纖的影響不大。例如，在0.6μm波長(zhǎng)的可見(jiàn)光區(qū)，紫外吸收可達(dá)1dB／km，在0.8μm波長(zhǎng)時(shí)降到0.2～0.3dB／km，而在1.2μm波長(zhǎng)時(shí)，大約只有0.ldB／km。石英光纖的紅外吸收損耗是由紅外區(qū)材料的分子振動(dòng)產(chǎn)生的。在2μm以上波段有幾個(gè)振動(dòng)吸收峰。由于受光纖中各種摻雜元素的影響，石英光纖在2μm以上的波段不可能出現(xiàn)低損耗窗口，在1.85μm波長(zhǎng)的理論極限損耗為ldB／km。

1.2雜質(zhì)吸收損耗

在光纖中除了二氧化硅（SiO2）外還含有一定量的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)也是由原子構(gòu)成也會(huì)引起吸收損耗。光纖中的雜質(zhì)可以分為兩類，一類是過(guò)渡的金屬粒子，另一類是氫氧根（OHˉ）。通過(guò)對(duì)制造光纖的材料進(jìn)行嚴(yán)格的化學(xué)提純，就可以大大降低由金屬離子引起的損耗。石英光纖中的另一個(gè)吸收源是氫氧根（OHˉ），經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，人們發(fā)現(xiàn)氫氧根在光纖工作波段上有三個(gè)吸收峰，它們分別是0.95μm、1.24μm和1.38μm，其中1.38μm波長(zhǎng)的吸收損耗最為嚴(yán)重，對(duì)光纖的影響也最大。在1.38μm波長(zhǎng)，含量?jī)H占0.0001的氫氧根產(chǎn)生的吸收峰損耗就高達(dá)33dB/km。

2、散射損耗

根據(jù)引起機(jī)理的不同，散射損耗分為瑞利散射損耗和波導(dǎo)散射損耗。

2.1瑞利散射損耗

瑞利散射是指光波在傳輸過(guò)程中遇到直徑比光波長(zhǎng)還小的微小顆粒時(shí)向四面八方散開(kāi)的現(xiàn)象，由于瑞利散射而引起的損耗叫瑞利散射損耗。光纖中的瑞利散射損耗是由光纖材料內(nèi)部的密度和成份變化而引起的。光纖材料在加熱過(guò)程中，由于熱騷動(dòng)，使原子得到的壓縮性不均勻，使物質(zhì)的密度不均勻，進(jìn)而使折射率不均勻。這種不均勻在冷卻過(guò)程中被固定下來(lái)而成為“孤島”，它們的尺寸比光波波長(zhǎng)要小。光在傳輸時(shí)遇到這些“孤島”改變了傳輸方向，產(chǎn)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(huì)引起散射，產(chǎn)生損耗。鑒于目前的光纖制造工藝水平，可以說(shuō)瑞利散射損耗是無(wú)法避免的。但是，由于瑞利散射損耗的大小與光波長(zhǎng)的4次方成反比，所以光纖工作在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)時(shí)，瑞利散射損耗的影響可以大大減小。

2.2波導(dǎo)散射損耗

光纖結(jié)構(gòu)不完善，如光纖中有氣泡、雜質(zhì)，或者粗細(xì)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(shí)，就會(huì)有一部分光散射到各個(gè)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。

3、彎曲損耗

在施工中會(huì)不可避免的彎曲光纖，當(dāng)光纖彎曲到一定程度后，光纖雖然可以導(dǎo)光，但會(huì)使光的傳輸途徑改變。由傳輸模轉(zhuǎn)換為輻射模，使一部分光能滲透到包層中或穿過(guò)包層成為輻射模向外泄漏損失掉，從而產(chǎn)生彎曲損耗。光纖的這種彎曲可以分為大彎和微彎。大彎：指彎曲半徑比光纖直徑大得多的彎曲。微彎：光纖軸產(chǎn)生微小不規(guī)則的彎曲。光纖在成纜、鋪設(shè)過(guò)程中受到不均勻作用力，如受到側(cè)壓力或光纖遇到溫度變化時(shí)產(chǎn)生的。微彎損耗是造成彎曲損耗的主要原因。

4、接續(xù)損耗

光纖鋪設(shè)過(guò)程中要將光纖一根一根地接續(xù)起來(lái)，光纖的這種接續(xù)會(huì)產(chǎn)生損耗。造成光纖連接損耗的原因主要有五種：光