光纤衰减是怎样产生的?

在通信工程中,光纤的应用范围越来越广。但是,光纤在使用过程中,多多少少会产生衰减现象,造成一定的光损耗。那么,造成这一现象的原因究竟有哪些呢?

在通信工程中,光纤的应用范围越来越广。但是,光纤在使用过程中,多多少少会产生衰减现象,造成一定的光损耗。那么,造成这一现象的原因究竟有哪些呢?

当光从光纤的一端射入,从另一端射出时,光的强度会减弱。光信号通过光纤传播后,光能量损耗了一部分,这说明是光纤中的某些物质或某种原因,阻挡了光信号的通过。

所谓损耗,是指光纤每单位长度上的衰减,单位为dB/km,光纤损耗的高低直接影响着光纤的传输距离和中继站间隔距离。因此,要想使光信号畅通无阻的传输,就必须降低光纤的损耗。

光纤的损耗可以分为光纤的附加损耗和固有损耗:附加损耗是光纤在铺设过程中因人为因素造成的。在实际运用中,工程师们不可避免地要进行熔接这一过程,将光纤一根接一根的连接起来,连接过程中会产生一定损耗。同时,光纤的弯曲、拉伸受力、挤压也会引起损耗。这些都是光纤使用过程中引起的损耗。如果注意使用的方法和技巧,附加损耗是可以极力避免的。

固有损耗包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗。其中,散射损耗和吸收损耗是由光纤材料本身的特性决定的,工作波长不同,光纤的固有损耗也会不同。本文重点讲解光纤的固有损耗。

光纤损耗

散射损耗

空气中悬浮着许多烟雾、灰尘等微小颗粒物,组成这些颗粒物的分子、原子、电子等离子以某些固有频率进行振动并释放出与该频率相对应的光。但是这种振动并不是自行产生的,需要一定的能量。如果粒子受到一定波长的光照射,照射光的频率与该粒子固有振动频率相同,就会引起共振,粒子内的电子便以该振动频率振动,使粒子向四面八方散射。粒子将入射光的能量吸收,重新以光能的形式散射出去。

光纤内部也存在着瑞利散射,由此产生的光损耗称为瑞利散射损耗。目前的光纤制造工艺水平还无法完全避免这一损耗,但是,由于瑞利散射损耗的大小与光波长的4次方成反比,所以光纤工作在波长区时,瑞利散射损耗的影响会大大减小。

吸收损耗

光纤的材料和其中的杂质会吸收光能,把光能以热能的形式消耗于光纤中。这种形式的损耗在光纤总损耗中所占比重较大。吸收损耗包括以下几种:

1、物质本征吸收损耗。这是物质固有的吸收引起的损耗。它有两个频带:一个在近红外的8~12μm区域里,这个波段的本征吸收是由于振动。另一个物质固有吸收带在紫外波段,当吸收很强时,它的尾巴会拖到0.7~1.1μm波段里去。2、掺杂剂和杂质离子引起的吸收损耗。光纤材料中含有跃迁金属,如铁、铜、铬等,它们有各自的吸收峰和吸收带并随它们价态不同而发生改变。由跃迁金属离子吸收引起的光纤损耗取决于它们的浓度。另外,OH-的存在也会产生吸收损耗,OH-的基本吸收极峰在2.7μm附近,吸收带在0.5~1.0μm之间。对于纯石英光纤来说,杂质引起的损耗影响很小,可以忽略不计。

3、原子缺陷吸收损耗。光纤材料由于受热或强烈的辐射,会产生原子的缺陷,吸收光能,产生损耗。一般情况下,这种影响较小。

结构不完善等引起的损耗

光纤结构的不完善包括光纤中有气泡、杂质或者粗细不均等现象,特别是芯-包层交界面不平滑。当光传输到这些地方时,就会有一部分光散射到各个方向,造成损耗。

随着网络的发展和普及,近年来,光纤通信在众多领域得到了广泛应用。工程师们在提高传输带宽的同时,也从光纤损耗入手,不断研发更低损耗的光纤,提高传输效率。因此,了解和降低光纤的损耗对光纤通信有着重要的现实意义。

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