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2019年10月14日 星期一


Attenuation Loss in Optical Fiber-A Numerical Problem


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來源:CPS中安网


一、造成光纖衰減的多種原因
造成光纖衰減的主要因素有:本徵,彎曲,擠壓,雜質,不均勻和對接等。

本徵: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於0.8μm),端面與軸心不垂直,端面不平,對接心徑不匹配和熔接品質等。

  

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後,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。

二、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,以及光纖製成後由使用條件造成的附加損耗。


Optical Fiber Attenuation – Fosco Connect

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,對於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
製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後,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,則位於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
在黑夜裡,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。

那麼,為什麼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於大氣之中,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,並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。但是這種振動並不是自行產生,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,對於在外部觀察的人來說,看到的好像是光撞到粒子以後,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。鑒於目前的光纖製造技術水準,可以說瑞利散射損耗是無法避免的。但是,由於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,那就是要改善光纖製造的工藝。 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,瞭解並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,由於熱騷動,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
這是由於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。一種模式由於交介面的起伏,會產生其他傳輸模式和輻射模式。

由於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後,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,即由於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,就要提高光纖製造工藝。對於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後,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洩漏損失掉,從而產生損耗。當彎曲半徑大於 5~10cm 時,由彎曲造成的損耗可以忽略。

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