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光纤损耗综述

发布时间:2020-05-15 11:18:39 浏览量:41


光纤因其独特的光波导效应,在光通信、传感、传像以及光能量与光信号传输等方面有着天然优势,并且在这些领域得了广泛的应用。

通过实际测试得知光纤的主要优点包括:集光能力好、传输效率高、抗干扰性能优秀。但是,光纤作为一种光波导传输介质,同样会对

内部的光信号传输产生影响,如:光纤损耗、色散、光谱展宽等。而影响光纤通信最主要的因素还是光纤损耗问题,因为随着传输距离

的增加各种损耗最终会累加到一个阈值,导致我们无法得到想要的传输信号,因此为了实现长距离的信号传输就必须设法降低光纤的损

耗。


一、光纤的损耗特性

以光纤光缆为基础的网络传输系统,无中继长距离传输产生的信号衰减值是衡量光纤光缆传输的信号质量最重要的指标之一,信号衰减

很大程度上限制了整个网络的信号传输距离,同时也制约了光纤通信系统的发展。


图1.光纤通信系统


光纤损耗是指光信号强度随距离的增加而减弱,造成光纤损耗的原因有很多,如:SiO2材料的吸收、色散、弯曲、内部缺陷以及外部

损伤等。并且各种损耗是可以相互叠加的,会对光纤系统的日常使用造成不必要的麻烦。对于不同光纤系统而言,占主导的损耗因素也

是不同的,要根据用户的具体使用场景而定。例如:在短距传输系统中,由于整个传输系统的光纤长度有限,所以两个端面耦合损耗会

占总损耗的70%-80%左右;对于光纤通信传输系统而言,光纤的长度可能会达到数千公里,光纤损耗会占总损耗的90%以上,此时耦

合损耗只占了很小的比例。


二、光纤损耗产生的原因

针对长距离的光纤通信系统而言,损耗主要为SiO2的吸收损耗。光纤传输光信号时,一部分光信号会被SiO2吸收转换为热能,外在表

现就是光纤纤身发热。吸收损耗主要是由于光波导材料本身的晶格排列决定,材料不同会导致吸收峰的差异。此外,掺杂也会导致光波

吸收能力的变化,比如在SiO2中掺入少量杂质,可显著改变材料在特定波长的吸收能力。相反,如果能去除这些杂质,则可制造出低

损耗的光纤。


吸收损耗可以分为:本征吸收和非本征吸收

(1)本征吸收,是指的光波导材料本身的固有吸收特性,这种吸收损耗是无法避免的,只能通过更换材料种类来改变这种吸收特性,

以SiO2为例,材料本身有三个吸收的谐振峰,分别为9.1um、12.5 um和21um,本征吸收主要是由于材料的受激辐射产生的电子跃迁

吸收带,通过分析本征吸收的吸收带我们可以从中挑选处合适的低损耗的窗口区,从而提高信号的传输效率。


(2)非本征吸收损耗即杂质吸收,造成非本征吸收的原因可能是由于工艺的不完善引入的了新的杂质导致杂质的吸收损耗。其中对非

本征吸收影响比较大有两种:

1. 过渡金属离子Fe3+、Mn3+ 、Ni3+ 、Cu2+ 、Co2+ 、Cr3+等,这些过渡金属离子在0.6um-1.6um波段范围内光吸收能力较强,光纤制造过程中,过渡金属离子的数量应减少到十亿分之一以下,这样可以将损耗控制1dB/km以下。


2. 氢氧根离子(OH-),水分子中解析出来的OH-振动吸收导致信号衰减并呈现出三个吸收峰:0.95um、1.24um及1.39um。在新型

玻璃纤维(称为干纤维)中,OH离子浓度已经可以降低到很低水平,以至于1.39um峰几乎消失了。如下图所示。这种光纤用于在整

个1.30um至1.65um波长范围内传输WDM(波分复用器)信号。


图2.新型玻璃纤维材料中氢氧根的吸收谱


结语:

光纤损耗很大程度上决定了整个光纤传输系统的最大无中继距离,也是制约光纤通信系统发展的最重要因素之一。目前,随着工艺的改

进损耗已经可以控制到一个很低的衰减水平。现阶段,基于通信光纤现有的理论体系,我们更希望能做到通过掺杂实现对特定波长的吸

收,实现光纤滤波排除信号的干扰。                        

                                                                                                    

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