光纤的损耗特性

任务一　光纤的损耗特性

◆知识点

¤　光纤的损耗系数

¤　光纤的损耗分类

¤　光纤损耗的测量

◆任务目标

¤　分析引起光纤损耗的因素

¤　学会测量光纤的损耗

任务导入：

光纤的传输损耗特性是决定光纤网络传输距离、传输稳定性和可靠性的最重要因素之一，较大的传输损耗会带来信息的衰减。光纤传输损耗的产生原因是多方面的，在光纤通信网络的建设和设备的维护时，最值得关注的是光纤中所引起传输损耗的原因以及如何减少这些损耗。图2.2所示为光纤损耗测量仪。

图2.2　光纤损耗测量仪

光波在光纤中传输时，由于光纤材料对光波的吸收和散射，光纤结构的缺陷和弯曲及光纤间的耦合不完善等原因，导致光功率随传输距离按指数规律衰减，这种现象称为光纤的传输损耗，简称损耗。光纤的损耗是光纤的最重要参数之一。自光纤问世以来，人们在降低光纤损耗方面做了大量工作，损耗问题逐渐改善。1310nm光纤的损耗在0.5dB／km以下，而1550nm光纤的损耗则达到0.2dB／km以下，这个数量级接近了光纤损耗的理论极限。图2.3所示为降低光纤损耗的研究进展情况。

图2.3　光纤衰减研究的进展情况

相关知识：

1.光纤的损耗系数

通常，光波在实际的光纤中传输时，光功率P将随着传输距离L的增加而作指数衰减。如果P_in是在长度为L的光纤输入端注入光功率，根据下式输出端的光功率Pout应为：

P_out＝P_inexp（-αl）　　　　　　　　（2.1）

光纤损耗的大小可用光波在光纤中传输1km产生的功率衰减分贝数（dB），即衰减系数α来表示：

习惯上α的单位用dB／km表示，式中P_in为注入到光纤的光功率，P_out为经过光纤传输后的输出光功率，L为光纤长度。

单模光纤的损耗谱特性如图2.4所示。

图2.4　单模光纤的损耗谱特性

2.光纤的损耗分类

引起光纤损耗的原因有多种，有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光纤设备的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗等。光纤本身的损耗主要有三种：吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。吸收损耗与光纤的材料有关，散射损耗则与光纤的材料和光纤中结构缺陷有关，而辐射损耗是由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起的。

（1）吸收损耗

光纤的吸收损耗，是由于光纤材料的量子跃迁致使一部分光功率转换为热能造成的光损耗。光纤的吸收损耗包括：本征吸收损耗，杂质吸收损耗和原子缺陷吸收损耗三种。

①本征吸收：本征吸收是物质所固有的，主要是由紫外和红外波段电子跃迁与振动跃迁引起的吸收。对于石英（S_iO₂）材料，固有吸收区在红外和紫外区域，其中红外区的中心波长在8～12μm范围内，紫外区中心波长在0.16μm附近，当吸收很强时，尾端可延伸到0.7～1.1μm的光纤通信波段。本征吸收引起的损耗一般很小，为0.01～0.05dB／km。

②杂质吸收：杂质吸收主要是由光纤材料所含有的正过渡金属离子（Fe^3＋，Cu^2＋，Ni^2＋，Mn^2＋等）的电子跃迁和氢氧根负离子（OH-1）的分子振动跃迁引起的吸收。金属离子含量越多，造成的损耗就越大。如使过渡金属离子的含量降低到10^-9（ppb）量级以下，就可以基本消除金属离子引起的杂质吸收，目前这样高纯度的石英材料生产技术已经得到应用。但由于光纤在制备过程中，不可避免地与空气接触，光纤中的氢氧根离子（OH-1）很难被清除，其分子振动跃迁在一些波段（0.72μm，0.95μm，1.24μm，1.39μm等）形成吸收峰，而在另一些波段（0.85μm，1.31μm，1.55μm等）吸收很少，形成三个最佳通信窗口，其中1.55μm是光纤的最低损耗波长。目前由于工艺的改进，降低了氢氧根离子（OH-1）的浓度，这些吸收峰的影响已很小。

③原子缺陷吸收：原子缺陷吸收主要是由于光纤材料受到热辐射或光辐射作用所出现原子缺陷产生的损耗。对于普通玻璃，在3000rad的伽玛射线照射下，可能引起的损耗高达20000dB／km。但有些材料受到的影响比较小，例如掺锗的石英玻璃，仅在波长为0.82μm时引起的损耗为16dB／km。这种吸收可以通过选择适当的材料来减小，对于以石英为纤芯材料的光纤，此类吸收可以忽略不计。

（2）光纤的散射损耗

即使对光纤的制造工艺进行很好的改进，清除所有的杂质使吸收损耗降低到最低限度，在光纤内仍然会存在较大的散射损耗。光纤的散射损耗主要有两类：一类是“瑞利散射”，另一类是“非线性散射”。

当光纤传输小功率信号时，由于光纤中远小于光波长物质密度的不均匀性（导致折射率不均匀）和掺杂粒子浓度的不均匀等将引起光的散射，将有一部分光功率透射到纤芯外部，由此引起的损耗称为本征散射损耗。本征散射损耗可认为是光纤损耗的基本限度，又称瑞利散射，其特征是散射光强正比于。对于纤芯掺杂为GeO₂的光纤，根据测量结果，瑞利散射损耗系数a_r可表示为

a_r＝（0.75＋66Δn_Ge）／λ⁴（dB／km）（2.3）式中Δn_Ge是考虑只添加GeO₂引起的折射率差，λ的单位为μm。

可见，瑞利散射损耗随波长λ的增加而急剧减小，因此，选择波长较长的光作为信号光源是抑制这类散射损耗的重要措施。瑞利散射损耗是光纤损耗最低极限。目前在1.55μm波长，在实验室最低损耗可达0.15dB／km，接近理论极限。

当光纤中传输的光功率超过一定值（阈值功率）时，还会诱发非线性效应散射过程，即受激拉曼散射和受激布里渊散射，从而引起光纤的非线性损耗。这两种散射使得入射光能量降低，并在光纤中形成一种损耗机制，导致较大的光损耗。通常可以通过选择适当的光纤直径和发射光功率来避免非线性散射损耗。

（3）光纤的辐射损耗

当理想的圆柱形光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的弯曲，引起能量泄漏到包层，这种有能量泄漏导致的损耗称为辐射损耗。光纤受力弯曲有两类：一类是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲，例如光缆弯曲时的弯曲；另一类是光纤成缆时产生的随机性扭曲，称为微弯。当弯曲程度增大，曲率半径减小时，损耗将随exp（-R／R_c）成比例增大，其中R是光纤弯曲的曲率半径，R_c为临界曲率半径，，当曲率半径达到R_c时，就可观察到弯曲损耗。

为减小弯曲损耗，通常在光纤表面上模压一种压缩护套，当受到外力作用时，护套发生变形，而光纤仍可以保持准直状态。

相关参数测量：

光纤的损耗参数的测量

光纤在使用前及布线系统安装完成之后需要对链路传输特性进行测试，其中损耗参数的测试是决定光纤线路系统传输性能的重要指标。下文介绍了用“切断法”和“插入法”测试光纤线路的损耗。

（1）切断法

这是直接严格按照定义建立起来的测试方法。在稳态注入条件下，首先测量整根光纤的输出光功率P₂（λ）；然后，保持注入条件不变，在离注入端约2m处切断光纤，测量此段光纤输出的光功率p₁（λ），因其衰减可忽略，故p₁（λ）可认为是被测光纤的注入光功率。因此，根据式（2.2）就可计算出被测光纤的衰减和衰减系数。如果要测量衰减谱，只要改变输入光波长，连续测量不同波长的p₂（λ），然后保持注入条件不变，在离注入端约2m处切断光纤，再连续测量同样的不同波长的p₁（λ），计算各个波长下的衰减，就可得到衰减谱曲线。

由于这种测量方法需要切断光纤，对光纤线路是具有破坏性的，但是测量的精度较高，优于其他方法0.1dB，所以是光纤衰减测量的一种标准测试方法。测试装置如图2.5所示。

图2.5　切断法测试光纤损耗

（2）插入法

上述切断法除具有破坏性以外，用于现场测量既困难又费时，因此现场测量需用非破坏插入法来代替切断法。目前插入损耗法对于多模光纤的测试，其测量精度和重复性已可满足要求，所以被选为替代测试方法。其测量原理如图2.6所示。

图2.6　插入法测试光纤损耗

测量时先校准输入光功率p₁（λ）。然后把待测光纤插入，调整耦合头使之达到最佳耦合，记下此光功率p₂（λ）。于是测得的衰减A′（λ）＝P1（λ）-P2（λ）。显然，A′（λ）包括了光纤衰减A（λ）和连接器（或接头）损耗A_i。最后，被测光纤衰减为α（λ）＝A′（λ）／L（dB／km），式中A（λ）＝A′（λ）-A_i。可见，插入损耗法的测量精确度和重复性要受到耦合接头的精确度和重复性的影响，所以这种测试方法不如切断法的精确度高。但因此法是非破坏性的，测量简单方便，故适合现场使用。

知识应用：

例1　注入单模光纤的LD功率为1mW，在光纤输出端，光电探测器要求的最小光功率是10nW，在1.3μm波段工作，光纤衰减系数是0.4dB／km，请问无需中继器的最大光纤传输长度是多少？

解　由光纤衰减系数得到

该光纤线路无需中继器的最大传输长度是125km。

思考题与习题

1.简述引起光纤损耗的原因以及分类。

2.光纤传输损耗的大小与哪些因素有关？

3.一段12km长的光纤线路，其损耗为a＝1.5dB／km，试问：

（1）如果在接收端保持0.3μm的接收光功率，则发送端的光功率至少为多少？

（2）如果光纤的损耗变为2.5dB／km，则所需的输入光功率又为多少？