本教程包含以下部分：

① 玻璃光纖中的導光

② 光纖模式

③ 單模光纖

④ 多模光纖

⑤ 光纖末端

⑥ 光纖接頭

⑦ 傳播損耗

⑧ 光纖耦合器和分路器

⑨ 偏振問題

⑩ 光纖的色散

? 光纖的非線性

? 光纖中的超短脈沖和信號

? 附件和工具

這是 Paschotta 博士的無源光纖教程的第 7 部分

第七部分：傳播損耗

當光在纖芯中作為導波傳播時，它會經歷一些功率損耗。這些對于通過光纖電信電纜進行長距離數據傳輸尤為重要。

通常，傳播損耗在途中近似恒定，具有一定的衰減系數 α。 然后功率簡單地與 exp (? α z ) 成比例衰減，其中 z 是傳播距離。損耗通常以 dB / km 為單位；該值是 1 / km 功率衰減系數的 ≈4.343 倍。當然，損耗取決于光波長。

傳播損失的起源

光纖中的傳播損失可能有多種來源：

• 該材料可能具有一些固有吸收。例如，當波長超過 ≈1.7 μm 時，石英纖維會越來越多地吸收光。因此，它們很少用于超過 2 μm 的波長。
  額外的孤立吸收峰可能來自某些雜質。例如，如果芯材不是無水的，二氧化硅纖維在 1.39 μm 和 1.24 μm 附近表現出增加的吸收損失。

• 在短波長下，玻璃中的瑞利散射變得越來越重要；瑞利散射對衰減系數的貢獻與波長的四次冪成反比。請注意，核心玻璃是一種無定形材料，在顯微鏡下永遠不會完全均勻。即使采用最現代的纖維制造技術，也存在不可避免的“凍結”密度波動。

• 還有一些非彈性散射——自發拉曼散射和布里淵散射。這些影響可通過散射（和頻移）光測量，但通常不會對傳播損耗產生重大影響。然而，拉曼和布里淵散射在高光強度下會導致巨大的損失（通過將能量轉移到其他波長），在這種情況下，受激散射是可能的。這是一種非線性效應，將在第 11 部分進行處理。

• 增加的散射損失可能是由于纖芯/包層界面的不規則性造成的。對于具有大折射率對比度（高數值孔徑）的光纖，這個問題更為嚴重。此外，較大的折射率對比度通常意味著纖芯的鍺摻雜程度較高，這使得它暫時不太均勻。因此，用于通過電信光纜進行長距離數據傳輸的低損耗單模光纖具有相對較小的 NA，即使較高的 NA 會提供更穩健的引導。

• 此外，可能存在彎曲損耗（見下文）。

固有損耗通常在光纖長度上非常均勻。對于額外的損失，情況不一定如此；例如，纖芯/包層界面的不規則性或化學雜質可能無法平滑分布。

圖 1 顯示了石英光纖固有的不可避免的傳播損耗。在 1.55 μm 附近（恰好是摻鉺光纖放大器工作良好的波長區域），損耗最小值約為 0.2 dB / km。為長途光纖通信開發的一些電信光纖幾乎達到了低損耗水平，這需要非常純凈的玻璃材料。如果光纖含有羥基 ( OH ) 離子，則在損耗光譜中可以看到 1.39 μm 和 1.24 μm 處的附加峰。

如果光纖損耗僅為 0.2 dB / km，這意味著即使在 100 km 的傳播距離之后，仍然有 1% 的原始光功率。這通常足以可靠地檢測數據信號，即使在非常高的比特率下也是如此。

多模光纖通常具有更高的傳播損耗，因為它們通常具有更高的數值孔徑。

彎曲損耗

例如，彎曲損耗是由光纖的強烈彎曲引起的傳播損耗。通常，這種損失在正常條件下可以忽略不計，但一旦達到某個臨界彎曲半徑，就會急劇增加。對于具有強大引導特性（高數值孔徑）的光纖來說，臨界半徑相當小——它可以小到幾毫米。然而，對于具有大有效模式面積的單模光纖（具有非常低數值孔徑的大模式面積光纖），它可以大得多——通常為幾十厘米。這樣的纖維在使用過程中必須保持筆直。

對于彎曲損耗的計算，有一些基于簡化模型的分析公式，這些公式可能準確反應現實，也可能不準確。數值光束傳播通常是首選方法；它不需要更強的簡化，并詳細告訴我們光發生了什么。

例如，考慮光纖半徑為 20 μm 且數值孔徑為 0.05 的少模光纖。作為測試，我們排列光纖，使彎曲沿光纖長度變得越來越緊：反曲率半徑隨傳播距離線性增加。發射的光完全都處于基本模式。

圖 2 顯示了 yz 平面中的模擬幅度分布。可以看到模式變得更多并轉移到一側（彎曲曲線的外側），變得非常小，最后損失更多和光到包層。在中間（z = 100 mm），彎曲半徑已達到 50 mm；這大約是臨界彎曲半徑。

對于 LP 11模式，彎曲損耗引起的衰減變得更加嚴重，如圖 3 所示。這里，彎曲損耗設置得較早，基本上所有功率在 120 mm 之后都已經損失。

通常，對于高階模式，臨界彎曲半徑要大得多。（這有時被用來濾除高階模式。）圖 4 顯示了所有模式的數值模擬彎曲損耗如何取決于彎曲半徑：

下一期將介紹第七部分：傳播損耗

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