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光纤链路的损耗

来源:本站作者:admin日期:2021/2/19阅读 0

光纤通信中,光纤链路的损耗是一个非常重要的控制对象。而光纤链路中,引起损耗的原因则是非常复杂,快速的准确的判断损耗的原因并能准确的消除一些损耗就比较重要。但是现实中,或许对光纤链路的损耗的不重视,或者因为对光纤链路损耗的机理和判断方法缺乏了解,或者诊断的代价是如此之大等等,都可能会直接忽视光纤链路的损耗。

深入了解光纤链路的损耗,对研发,生产和应用等来说,无疑是非常必要的。

光纤链路的损耗有来自物理原因,比如温度变化。有来自化学原因,比如外部环境中的物质和光纤纤芯发生化学变化导致了折射率的变化。后者在数据通信的环境中,应该是可以忽略的,比如光纤跳线的接头对接在高湿环境中,其对接的纤芯表面就可能由于外部环境导致折射率的波动,但是折射率的变化证明是非常小的,该变化对于光纤链路的损耗的影响几乎是测试系统无法准确测定的,而可以被忽略的。

光纤链路的损耗可以大致分为如下几类。

光纤内部的固有损耗

这种光纤内部的固有损耗光纤本身固有的,一般情况下是无法改变的。了解这些只是为了判断整个链路的基础的最小的损耗。大致可分为吸收损耗和散射损耗两大类,还包括一些由于光纤制造本身带来的损耗。

吸收损耗包括本征吸收和杂质吸收。本征吸收主要是紫外吸收和红外吸收。光纤数据通信的工作波段都在近红外波段,包括多模和单模通信。

但是紫外吸收带尾部也延伸并覆盖了整个光纤数据通信的工作波段。在多模工作波段850nm处影响较大。红外吸收主要影响在单模的工作波段。越过1650nm,其红外吸收急剧升高。

杂质吸收包括光纤中的材料的不纯净导致,这里不包括光纤的掺杂物,主要是过度金属离子和OH根离子。制造工艺本身也会带来可能的损耗,比如SAS导致的损耗。

散射损耗由于材料浓度和密度的不均匀引起的光的散射造成的损耗。有瑞利散射,拉曼散射和布里渊散射等几类不同的散射机理。光纤中一般只是考虑瑞利散射的影响。

几种光纤内部的固有损耗大致如下图所示。

光纤内部的固有损耗从光纤的规格参数可以获得大致的参考值。这部分对于应用来说是无法改变的。

光纤的弯曲损耗

光纤的弯曲损耗分为我们熟知的宏弯损耗和微弯损耗两大类,都是由于光纤的弯曲导致。在实际应用中,这两类损耗很多情况下同时存在,无法区分。宏弯损耗可以认为是由于可以观察到的较大的弯曲导致的损耗,而微弯损耗则不易观察,主要是与光纤接触的表面由于物理的不规则导致了光纤扰动为微小的半径弯曲,如下图所示,由此会导致了微弯损耗。

导致宏弯损耗的因素很多,主要包括人为原因,机械原因,以及环境原因。人为原因常见的是在应用中的低于设计要求规格的小弯曲,这个容易避免。不容易避免的是机械原因和环境原因。由于光纤余长的存在,光纤在光缆内部的弯曲是必要的,可以提供安全的机械性能。但是由于在外部环境的温度变化下,光缆的回缩或者收缩导致光纤在光缆内部的弯曲加剧,会造成明显的宏弯损耗。布线中受到外物的压力,也可能造成光纤弯曲带来的宏弯损耗。但是这里需要提到的是宏弯损耗是波长依赖的。应用中的光纤弯曲一般都不会造成物理的失效,所以需要权衡工作波长处的宏弯损耗是否有影响。宏弯损耗是无法避免的,只是要判断宏弯损耗的大小是否在系统中可以接收。

导致微弯损耗的因素也很多,但是主要是机械原因。比如受到挤压的情况下,如果光纤两次涂层设计不是很完善,压力容易传导到光纤表面造成微小的弯曲。外界温度的变化造成的光缆收缩也可能迫使光纤在光缆内部受到挤压造成微弯。接头的组装工艺也可能带来微弯损耗,比如插芯中的光纤为125um,其外部是胶水和插芯内孔,胶水的固化以及其温度的影响也可能有细微的影响。

光纤的弯曲损耗一方面需要良好的光纤、光缆和连接器设计,另一方面也需要在应用中加以注意。比如布线的外部条件要减少外部的挤压,减少过度的捆绑。同时要评估光缆所处的环境温度变化,光缆本身是否能满足该温度的操作条件。

区分损耗是宏弯损耗还是微弯损耗是有意义的,因为宏弯损耗还是微弯损耗的触发原因不一样,可以采用相应的方法改善宏弯损耗还是微弯损耗。对宏弯损耗还是微弯损耗的判断需要对多个波长的损耗进行测量后进行分析。下图是一个公开文献中的模拟结果。可以很好的根据不同的波长测试得到的损耗,来判断弯曲损耗的类型。

但是实际情况下,两者损耗往往是同时存在的。需要对应用场景和测试数据进行精确分析才能得到较为正确的判断。

连接损耗

连接损耗包括光纤链路中的熔接损耗、接头对接损耗。接头对接损耗接头对接质量,还包括对接的光纤之间的兼容性。

接头的损耗包括非对准损耗、端面质量、端面杂质、光纤模场直径不匹配等因素导致的损耗,是比较大的损耗来源。降低损耗可以减少接头对接而采用熔接方式,但是降低了布线的灵活性和简易性。非对准损耗容易理解,就像我们经常划分的光纤纤芯同心度,径向、轴向和角向偏移等,主要是对接接头的插芯精度问题,最好的自然是如同一根完整的光纤一样。光纤模场直径不匹配主要是由于两者不同模场直径的光纤导致,但是同一种光纤的模场直径也是有波动的,一般情况下,两者不同的光纤,其模场直径的公差范围也是有交际的。端面质量主要是光纤端面是否有划痕等。对于现场来说,则更多的关注端面杂质,这也是在使用光纤连接中不断强调的“清洁、清洁、清洁”问题。

接头的损耗从不同的波长损耗看,和弯曲损耗不太一样,一般不同的波长的损耗会同步增加,短波长的损耗依旧比长波长的损耗高。比如1310nm和1550nm的损耗都有增加,但是1310nm的损耗还是比1550nm处的损耗高。这也是能判断接头损耗还是弯曲损耗的依据之一。但是光的损耗非常复杂,比如不同的空隙,其损耗会有振荡变化现象。了解这些不同的损耗表现现象,会有力的支持对损耗来源的判断,进一步有效的去解决损耗问题。

这里也只是列出比较典型的几类损耗原因, 光纤链路的损耗或许是由于无数的原因同时其作用而造成的。有时候确实非常难以判断其触发的原因,一方面是测试本身的问题,测试本身带来了损耗误差以及损耗的不准确,会严重误导了对损耗的分析。另一方面不同的因素造成的损耗叠加在一起,这种情况下,损耗如果并在容忍的界限以内不太容易进行区分。但是如果损耗明显较大,基于对不同情况其损耗的不同表现,往往还是可以对损耗的原因进行比较准确的判断。进一步借助于测试设备定位的损耗发生的位置,就会较为容易的进行问题的解决。




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