【正文】 出散射光的現(xiàn)象。 114 原子缺陷吸收衰減 （ 非本征吸收衰減 ） 原子缺陷吸收衰減是由于光纖在加熱過程或者在強(qiáng)烈輻照下 ， 造成玻璃材料受激產(chǎn)生原子缺陷吸收衰減 。 水和潮氣滲入光纜中 ，使水分與光纜中的金屬加強(qiáng)材料發(fā)生氧化反應(yīng) ， 置換出氫氣 ， 引起氫損 。 104， 單模光纖 C OH（ 1550） =179。 103（ kcal/mol176。 H2分子產(chǎn)生的氫損 α H2可由公式計算： α H2=C H2（ λ ） exp（ ） ?P （ dB/km） 112 B、 由 H2氫生成 OH氫氧根離子 ， 使光纖中的 OH含量增加 ，并與光纖中的分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)合產(chǎn)生氫損 ， 屬不可逆損耗 。 氫損有二種型式： A、 H2分子由于擴(kuò)散作用而進(jìn)入光纖 ， 當(dāng)光源波長滿足氫分子某二個能帶的帶隙 Eg=hγ 的波長時 ， 氫分子將發(fā)生吸收光子的作用過程 ， 使光能量降低 ， 由 H2吸收產(chǎn)生能量損耗 ， 即稱之為氫損 。 OH－ 基波吸收振動峰發(fā)生在 ， 而它的諧波均勻地出現(xiàn)在 ， 、 （ 二 、 三 、 四 、 五次諧波 ）處 ， 而這些諧波同 SiO4四面體基波振動之間又組合出組合吸收峰 ， 出現(xiàn)在 ， 。 109 雜質(zhì)吸收衰減 （ 非本征吸收衰減 ） （ 2） 、 氫氧根離子吸收衰減 光纖制造中存在一種吸收損耗非常大的 OH－ 羥基吸收離子 ， 氫氧根離子吸收也屬于一種非本征吸收 。 為了獲得小于1dB/km的衰減 ， 過渡金屬雜質(zhì)的含量應(yīng)該為 十億分之一(ppb)。 過渡金屬雜質(zhì) ，如 Fe,Cu,Co,Ni和 Cr在 ～ 波長范圍具有強(qiáng)烈的吸收 。 （ 3） 、 由氫氣導(dǎo)致的吸收衰減 （ 氫損 ） 。 雜質(zhì)吸收主要有： （ 1） 、 堿金屬離子吸收衰減 。 石英光纖的本征吸收衰減是石英玻璃自身的紅外吸收和紫外吸收共同作用的結(jié)果 ， 光纖通信波段中 ， 在 ， SiO2非晶材料的內(nèi)部本征吸收小于， 在 ， 小于 。 106 本征吸收衰減 紫外吸收 是通過光波照射激勵 SiO2石英玻璃光纖材料中原子的束縛電子使其躍遷至高能級時吸收的光能量 。 紅外吸收 （ IR）是光通過 SiO2構(gòu)成的石英玻璃時引起 SiO2分子振動共振EV、 外層電子躍遷 Ee、 轉(zhuǎn)動躍遷 Er和轉(zhuǎn)換成動能 Et引起的光能被吸收現(xiàn)象 ， 起主要作用的是 分子振動共振 。 )/( 12 EEhc ???103 材料吸收衰減 本征吸收衰減 本征吸收是 SiO2石英玻璃自身固有的吸收 ， 難以消除 。光吸收是指光能轉(zhuǎn)換成光纖物質(zhì)結(jié)構(gòu)中的原子（分子、離子或電子）等躍遷、振動、轉(zhuǎn)動能量或是轉(zhuǎn)換成動能而產(chǎn)生的光能量變換的現(xiàn)象。 102 .1 .3 .2 衰減機(jī)理（一） 光的吸收通常是在光纖構(gòu)成物質(zhì)的原子 、 分子 、 離子或電子的各量子化的固有能級間產(chǎn)生 ， 如果光波長滿足下式： 則光纖發(fā)生光飽和吸收現(xiàn)象。共振是指入射的光波使材料中的電子在不同能級之間或原子在不同振動態(tài)之間發(fā)生量子躍遷的現(xiàn)象。 98 .1 .3 光纖的衰減特性 發(fā)射端 光 纖 接收端 ? 反映光信號損失的特性 ? 限制了傳輸?shù)木嚯x ? 原因：吸收、散射、彎曲 99 .1 .3 光纖的衰減特性 衰減機(jī)理 紫外吸收區(qū) 100 .1 .3 .2 衰減機(jī)理（一） 材料吸收衰減 材料吸收衰減 吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子 (OH－ )等雜質(zhì)對光的吸收而產(chǎn)生的損耗， 包括 : 本征吸收損耗 雜質(zhì)吸收損耗 原子缺陷吸收損耗 101 .1 .3 .2 衰減機(jī)理（一） 材料吸收衰減 吸收衰減是由于光纖對光能的固有吸收并轉(zhuǎn)換成損耗引起。 103） /（ 10179。 α(λ) 值與選擇的光纖長度無關(guān) 。 L — 光纖長度 ? ? ? ?? ?? ?dBPPA???21l o g10?96 .1 .3 光纖的衰減特性 基本概念 通常 ， 對于均勻光纖來說 ， 可用單位長度的衰減 ，即衰減系數(shù)反映光纖的衰減性能的好壞 。 衰減： 光在光纖中傳輸時 ， 平均光功率沿傳輸光纖長度 Z方向按指數(shù)規(guī)律遞減現(xiàn)象稱為光纖衰減 （ 或稱損耗 、 衰耗 ） 。 折射近場法的測量原理是 ， 首先用折射近場法測出光纖的折射率分布曲線 ， 然后從折射率分布曲線上求出纖芯中最大折射率 n1和包層折射率 n2， 再根據(jù)公式計算出光纖的最大理論數(shù)值孔徑NAth。 no= 1時 ， 其取決于芯層的最大折射率 n1(0)和包層折射率 n2(b). 93 .1 .2 光纖的光學(xué)特性 數(shù)值孔徑的測量方法 折射近場法 是用來測量光纖最大理論數(shù)值孔徑的方法 。 88 .1 .2 光纖的光學(xué)特性 折射近場法 89 .1 .2 光纖的光學(xué)特性 折射近場法測試裝置 90 .1 .2 光纖的光學(xué)特性 折射近場法測試裝置 91 .1 .2 光纖的光學(xué)特性 （ 3） 數(shù)值孔徑 數(shù)值孔徑是光纖特有的一個非常重要的光學(xué)參數(shù) ，它表征光纖集光能力的大小和與光源及光纖間相互耦合的難易程度 ， 并對光纖的連接損耗 、 微彎損耗 、 宏彎損耗 、 溫度特性和傳輸帶寬等光纖的傳輸特性具有十分明顯的影響 。 85 .1 .2 光纖的光學(xué)特性 截止波長的測量 86 .1 .2 光纖的光學(xué)特性 截止波長的測量 87 .1 .2 光纖的光學(xué)特性 （ 2） 折射率分布 折射率分布是光纖的一個重要特性參數(shù) ， 可采用 折射近場法 測量 。 當(dāng)單模光纖工作波長稍低于理論截止波長時 ， 單模光纖中激勵的基模急劇衰減 。 81 .1 .1 幾何尺寸特性 近場圖像法實驗裝置 82 .1 .1 幾何尺寸特性 擬合纖芯中心： Xco、 Yco(μm) ； 擬合包層半徑： Rcl(μm) ； 擬合包層中心： Xcl、 Ycl(μm) ； 包層邊界至包層中心的最小距離： Rmincl(μm) ； 包層邊界至包層中心的最大距離： Rmaxcl(μm) ； 包 層 直 徑： 2Rcl(μm) ； 包 層 不圓度： 100(RmaxclRmincl)/Rcl(％ )； 芯同心度誤差： [(XclXco)2+(YclYco)2]1/2(μm) ； 83 .1 .2 光纖的光學(xué)特性 （ 1）截止波長 84 .1 .2 光纖的光學(xué)特性 傳輸功率法測量原理 單模光纖中除了光纖固有的吸收和散射損耗外 ， 還存在著其他附加損耗 ， 如：光纖芯包界面缺陷 、 縱向不均勻性 、 光纖微 （ 宏 ） 觀彎曲等 。 只要我們在光纖輸出端近場直徑掃描測量近場光強(qiáng)度分布 ， 就能測定光纖沿直徑方向的相對折射率分布曲線和折射率分布指數(shù) g。 80 .1 .1 幾何尺寸特性 近場圖像法測量原理 近場圖像法用一視頻系統(tǒng)實現(xiàn) XY兩維近場掃描 。 79 .1 .1 幾何尺寸特性 光纖尺寸參數(shù)的測量方法有：近場圖像法 、 折射近場法 、俯視法 、 傳輸近場法等 。 通常芯中心大致代表著模場中心 。 78 .1 .1 幾何尺寸特性 （ 6） 包層不圓度：由包層容差區(qū)域定義的兩個圓直徑之差除以包層直徑所得的值 。 （ 5） 包層容差區(qū)域：對于一光纖而言 ， 包層容差區(qū)域就是包層外界限的外接圓與包層外界限擬合圓之間的區(qū)域 。 （ 3） 包層直徑：確定包層中心的圓直徑 。 75 光纖的特性參數(shù) 光纖傳輸特性 光纖物理特性 光纖化學(xué)特性 76 .1 光纖的傳輸特性 幾何尺寸特性 光學(xué)特性 衰減（損耗）特性 色散特性 其它特性 77 .1 .1 幾何尺寸特性 （ 1） 包層：包層是光纖橫截面中玻璃的最外區(qū)域 。 ?214 0 ???cV???對于階躍型光纖 ， ， 則 Vc=；對于拋物線型光纖 ，α=2， 則 Vc=， 上面給出的階躍型單模光纖算出 V=＜Vc=， 因此該光纖滿足單模傳輸條件 。 Vc主要與光纖的折射率分布指數(shù)有關(guān) 。 0 3 )0( ?????? nNA 222 10???????? ?? ? anV74 前面已經(jīng)提到 ， 判斷一根光纖是不是單模傳輸 ， 主要依據(jù)是歸一化頻率的大小 ， 光纖單模工作的充分必要條件是：光纖的歸一化頻率要小于次低階模的歸一化截止頻率 Vc， 即 V＜ Vc。最大相對折射率差約為 %~%。 例如 ， 對于常用的通信波長 (1550 nm)， 單模光纖芯徑為8～ 12 mm， 而多模光纖芯徑 50 mm。 其余的高次模全部截止 。 當(dāng)光纖的幾何尺寸 （ 主要是芯徑 d） 遠(yuǎn)大于光波波長時（ 約 1μ m） ， 光纖傳輸?shù)倪^程中會存在著幾十種乃至幾百種傳輸模式 ， 即多模傳輸 。 ? 缺點： 芯徑小 ， 較多模光纖而言不容易進(jìn)行光耦合 ，需要使用半導(dǎo)體激光器激勵 。 71 ? 單模光纖： 只能傳輸一種模式的光纖稱為單模光纖 。 傳導(dǎo)模的數(shù)目可以從求解波動方程得出 。 假設(shè)纖芯處的折射率為 歸一化頻率 。 ? 優(yōu)點： 芯徑大 ， 容易注入光功率 ， 可以使用 LED作為光源 ? 缺點： 存在 模間色散 ，只能用于短距離傳輸 多模光纖與單模光纖 （ 1） 多模光纖 68 模間色散： 每個模式在光纖中傳播速度不同 ， 導(dǎo)致光脈沖在不同模式下的能量到達(dá)目的的時間不同 ， 造成脈沖展寬 。 66 模的基本性質(zhì) 在模式理論分析研究中 ， 主要涉及到的模式性質(zhì)還有場分布 、 縱向傳播常數(shù) 、 橫向傳播常數(shù) 、 相速度與群速度 、 群延時與色散 、 偏振特性 、 功率流 、 正交性等 。 65 模的基本性質(zhì) 導(dǎo)模的 “ 截止 ” : 除了基模之外 ,其它導(dǎo)模都可能在某一個 V值以下不允許存在 ,這時導(dǎo)模轉(zhuǎn)化為輻射模 。 60 相位一致條件 光纖中的模式傳輸 光纖中光波相位的變化情況 61 相位一致條件 光纖中的模式傳輸 光纖中光波相位的變化情況 62 相位一致條件 光纖中的模式傳輸 光纖中光波相位的變化情況 63 相位一致條件 光纖中的模式傳輸 光纖中光波相位的變化情況 64 模的基本性質(zhì) 歸一化頻率 V: 給定光纖中 ,允許存在的導(dǎo)模由其結(jié)構(gòu)參數(shù)所限定 。 波長為 λ的光波在纖芯與包層界面上的場強(qiáng)為零 ， 場強(qiáng)的分布是周期地重復(fù)波峰與波谷 。 57 因為模的次數(shù)是離散的 ， 所以只有那些大于臨界角的離散數(shù)目的入射角才能產(chǎn)生光線的傳播 。 以某一角度射入光纖端面 ，并能在光纖的纖芯 — 包層界面上形成全反射的傳播光線就可以稱為一個光的傳輸模式 。 漸變型多模光纖中的光波傳播理論 54 Ps Pb2R 2R（a) 正弦分布 （a) 螺旋分布hs h斜射線 在漸變型多模光纖中的傳播 斜射線 在漸變型多模光纖中的傳播 55 模式及其基本性質(zhì) “ 模 ” 來源于電磁場的概念 ， 指光場的模式 。 可用一個簡化公式來判斷能否發(fā)生全反射： R≥4d R為曲率半徑， d為纖維的直徑。 48 光在纖維內(nèi)部全反射的次數(shù) ， 可用下式計算： 式中 ， Φ是 受光角 ， d是纖維直徑 49 子午射線 在彎曲圓柱形纖維中的傳播 在纖維的彎曲部位 ， 光線有兩種傳播途徑 。A=sinΦc=[n12n22]1/2≈n1(2△ )1∕2 △ ≈（ n1n2） /n1， n1≈n2 47 當(dāng)子午光線沿著空氣中的直圓柱形纖維傳播時 ， 光路長度 可用下式算出： 式中 ， P（ Φ ） 是 受光角為 Φ時 的光路長度 ，L是纖維長度 。 對光纖而言 ， 這個最大的孔徑角 Φc只與光纖的折射率 n1 、 n2有關(guān) 。 46 光纖端面的光線最大入射角 Φc（ 又稱 臨界孔徑角或最大接收角 ） 是一個非常重要的參數(shù) ， 為描述光纖這種集光和傳輸光的能力與光線最