造成
光纖衰減的多種原因分析:
1、造成
光纖衰減的主要因素有:本征,彎曲,擠壓,雜質(zhì),不均勻和對接等。 (10GBASE-S和10GBASE-L的標準協(xié)議中分別規(guī)定萬兆多模
光纖鏈路的衰減不得大于2.6dB,單模
光纖鏈路的衰減不得大于6.2dB。 進入布線英雄三國志,答題搶豪禮 http://www.cnw.com.cn/zhuanti/sanguo/ )
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(nèi)的光會因散射而損失掉,造成損耗。
擠壓:
光纖受到擠壓時產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。
雜質(zhì):
光纖內(nèi)雜質(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)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。
2、
光纖損耗的分類
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(jié)構(gòu)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(xù)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(chǎn)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(fā)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(chǎn)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。
3、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(chǎn)生振動、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旋轉(zhuǎn)一樣,每一個電子都具有一定的能量,處在某一軌道上,或者說每一軌道都有一個確定的能級。距原子核近的軌道能級較低,距原子核越遠的軌道能級越高。軌道之間的這種能級差別的大小就叫能級差。當電子從低能級向高能級躍遷時,就要吸收相應級別的能級差的能量。
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(chǎn)生了光的吸收損耗。
制造
光纖的基本材料二氧化硅(SiO2)本身就吸收光,一個叫紫外吸收,另外一個叫紅外吸收。目前
光纖通信一般僅工作在0.8~1.6μm波長區(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波長左右。隨著波長增大,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。不過,紫外吸收對在紅外區(qū)工作的石英
光纖的影響不大。例如,在0.6μm波長的可見光區(qū),紫外吸收可達1dB/km,在0.8μm波長時降到0.2~0.3dB/km,而在1.2μm波長時,大約只有0.ldB/km。
石英
光纖的紅外吸收損耗是由紅外區(qū)材料的分子振動產(chǎn)生的。在2μm以上波段有幾個振動吸收峰。
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波長的理論極限損耗為ldB/km。
通過研究,還發(fā)現(xiàn)石英玻璃中有一些"破壞分子"在搗亂,主要是一些有害過渡金屬雜質(zhì),如銅、鐵、鉻、錳等。這些"壞蛋"在光照射下,貪婪地吸收光能,亂蹦亂跳,造成了光能的損失。清除"搗亂分子",對制造
光纖的材料進行格的化學提純,就可以大大降低損耗。
石英
光纖中的另一個吸收源是氫氧根(OHˉ) 期的研究,人們發(fā)現(xiàn)氫氧根在
光纖工作波段上有三個吸收峰,它們分別是0.95μm、1.24μm和1.38μm,其中1.38μm波長的吸收損耗最為嚴重,對
光纖的影響也最大。在1.38μm波長,含量僅占0.0001的氫氧根產(chǎn)生的吸收峰損耗就高達33dB/km。
這些氫氧根是從哪里來的呢?氫氧根的來源很多,一是制造
光纖的材料中有水分和氫氧化合物,這些氫氧化合物在原料提純過程中不易被清除掉,最后仍以氫氧根的形式殘留在
光纖中;二是制造
光纖的氫氧物中含有少量的水分;三是
光纖的制造過程中因化學反應而生成了水;四是外界空氣的進入帶來了水蒸氣。然而,現(xiàn)在的制造工藝已經(jīng)發(fā)展到了相當高的水平,氫氧根的含量已經(jīng)降到了足夠低的程度,它對
光纖的影響可以忽略不計了。
4、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(fā)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(chǎn)生了散射,就射向了四面八方。這個現(xiàn)象是由瑞利最先發(fā)現(xiàn)的,所以人們把這種散射命名為"瑞利散射"。
散射是怎樣產(chǎn)生的呢?原來組成物質(zhì)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(chǎn)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(nèi)的電子便以該振動頻率開始振動,結(jié)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(zhuǎn)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(nèi)也有瑞利散射,由此而產(chǎn)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(qū)時,瑞利散射損耗的影響可以大大減小。
5、先天不足,愛莫能助
光纖結(jié)構(gòu)不完善,如由
光纖中有氣泡、雜質(zhì),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(xiàn)象也可以為我們所利用,因為如果我們在發(fā)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(xiàn)
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(xiàn)實意義。
一、
光纖的吸收損耗
這是由于
光纖材料和雜質(zhì)對光能的吸收而引起的,它們把光能以熱能的形式消耗于
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(zhì)本征吸收損耗 這是由于物質(zhì)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(qū)域里,這個波段的本征吸收是由于振動。另一個物質(zhì)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。
2.摻雜劑和雜質(zhì)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并隨它們價態(tài)不同而不同。由躍遷金屬離子吸收引起的
光纖損耗取決于它們的濃度。另外,OH-存在也產(chǎn)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范圍。對于純石英
光纖,雜質(zhì)引起的損耗影響可以不考慮。
3.原子缺陷吸收損耗
光纖材料由于受熱或強烈的輻射,它會受激而產(chǎn)生原子的缺陷,造成對光的吸收,產(chǎn)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(nèi)部的散射,會減小傳輸?shù)墓β剩a(chǎn)生損耗。散射中最重要的是瑞利散射,它是由
光纖材料內(nèi)部的密度和成份變化而引起的。
光纖材料在加熱過程中,由于熱騷動,使原子得到的壓縮性不均勻,使物質(zhì)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(zhì)時,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引起散射,產(chǎn)生損耗。
三、波導散射損耗
這是由于交界面隨機的畸變或粗糙所產(chǎn)生的散射,實際上它是由表面畸變或粗糙所引起的模式轉(zhuǎn)換或模式耦合。一種模式由于交界面的起伏,會產(chǎn)生其他傳輸模式和輻射模式。由于在
光纖中傳輸?shù)母鞣N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(xù)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(chǎn)生額外的損耗,即由于模式的轉(zhuǎn)換產(chǎn)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(zhì)量高的
光纖,基本上可以忽略這種損耗。
四、
光纖彎曲產(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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。