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纤维光学光导
光纤内的损耗机理

March 15,2019.

因材料吸收、材料散射、界面不完善引起的波导散射、光纤弯曲引起的模式损失以及包皮损耗等原因都能导致光纤中传播的电磁能量损失。


1 材料吸收

不纯的玻璃材料中含有残留的杂质和氢/氧原子,这是引起吸收损耗的主要原因。结果在一小波段波长区域内衰减最大。衰减量最大的波长(吸收最大)是由(OH)ˉ离子引起的。石英光纤中,这个波长是λ=2.7μm。低于这个波长的光谱区中,有1.38μm,1.24μm和720nm等吸收带。


这些波长带之间存在最小的衰减“窗口”。这些光谱区有:850nm(第一窗口),1300nm(第二窗口)和1550nm(第三窗口)。这些光谱区可用于数据传输(通讯技术)。

杂质包括Cr3+,Fe2+,Cu2+等金属离子。相应的吸收带在500nm和1000nm之间。带宽根据不同的玻璃光纤材料和含有的金属离子的不同而不同。


在石英光纤中传播短波光(比如紫外线λ=210nm)会引起称为“日晒”的损耗机理。石英中存在着吸收中心,电子在此处取代阴离子。这些电子在共振的情况下很容易被激活。晶体中的这些区域也称为“色心”,因为一般的彩色中性晶体(如NaCl)会产生气质性退色。


2 材料散射

一个关键的散射机理是“瑞利散射”。光纤材料中存在密度变化(变化范围小于一个波长),这个密度变化可以改变折射率并引起光散射。散射光的强度正比于1/λ4,在各种散射中,其后向散射效果很明显。

另一个散射机理是“微散射”,主要导致前向散射。在较大波长光谱中这种散射主要源于材料的杂质。

“受激喇曼散射”和“受激布里渊散射”是非线性辐射超过一定强度的限时所引起的影响,只有所使激光超过这个限时以后才会发生这种散射。


3 光纤的特殊散射机理

光纤本征特性”会引起能量损失。这些影响包括:改变芯料直径,折射率差,折射率分布状态,模式耦合(双机制),在皮料玻璃中的散射。芯模向包层模的转变引起损耗。这将使导模能量下降。


4 宏观弯曲引起的散射损失

弯曲半径不变的光纤弯曲称为“宏观弯曲”。小直径、高数值孔径的光纤模式损耗最少。

在弯曲光纤中另一个值得注意的问题是由光传播速度的不同所引起的光能损失。

大部分电磁能集中在光纤芯料中,其他部分在皮料中传播,很少的一部分在皮料外传播。



5 微观弯曲引起的损耗

光纤会沿着长度出现周期性或随机性的弯曲,弯曲的幅度连续的变化。相关的损耗机理表现是把导模永久性转化为非导模。


6 光纤耦合损耗

分开的光纤可能会连起来。连接处可能存在内在的(纯光学的)和外部的(机械连接)损耗。下图是多模式光纤断开后不同的结构和传输值。

光纤耦合损耗


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