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光纤的特性
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4. 1光纤的传输特性
作为一种传输介质，光纤不可避免地要对其中光信号的传输产生作用与影响,这就是光纤的传输特性。它主要包括:光纤传输的模式及相关效应,光纤的损耗,光纤的色散与带宽特上式做逆运算，即有
(4,8)

以下以石英系通信光纤为代表进行分析。造成光纤传输损耗的主要因索包括材料的吸收损耗、散射损耗和弯曲等引起的辐射损耗。
(1)光纤材料的吸收损耗
光波通过光纤材料时，一部分光能被吸收转换为热能而消耗。吸收损耗是光纤传输损耗的最主要因索之一。吸收损耗与光波波长和材料成分有关。波长不同，吸收损耗大不相同。吸收损耗还与材料
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的成分密切相关，在某一波段范围，有些材料高度透明，如石英或光学玻璃;有些材料则吸收能力极强，如在玻璃中掺人少量杂质，可显著提高其在某些波长处的吸收能力。相反，设法除去这些杂质，则可制造出通信用的高透明低损耗光纤。
根据产生的原因，吸收又分为本征吸收和非本征吸收(杂质吸收)。
①本征吸收损耗。本征吸收是光纤材料固有的吸收，吸收损耗与波长有关。在光波波长段，石英玻璃有两个主要的本征吸收机制(即吸收带)。其一是紫外吸收带，在高能激发下，构成光纤基质的石英材料产生紫外电子受激跃迁吸收带。紫外吸收主要在短波长区，其吸收峰
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，其尾部延伸到光纤通信波段( ~1. 6 μmm)，参见图4. 1。在1. 3~ dB/km的损耗，对单模光纤必须设法消除;其二是红外吸收带，红外吸收是由于光子同石英分子振动之间交换能量造成的。， ~ μm延伸。在 =1. 55 μm时， dB/km，因而其损耗影响很小，可忽略(>0但在长波段红外吸收的高损耗也同时制约了光纤通信的工作波段向更长波方向扩展。
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总之，本征吸收损耗是紫外与红外吸收两种因索共同作用的结果， ~1. 7 m波段留下了一段低损耗的窗日区。
②非本征吸收(杂质吸收)损耗。一种重要的非本征吸收是杂质吸收。杂质吸收是由于材料不纯净和工艺不完善引人杂质而造成的损耗，影响严重的有两种:
( ) 它们各有自己的吸收峰，, 。杂质含量越，则损耗越严重。
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目前，控制吸收过渡金属离子的问题旱已解决。
图4. 2石英材料中的氧氧根的吸收谱
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(b)氢氧根离子( )。由石英玻璃中水分子中解析出来的 离子是造成非本征吸收损耗的严重原因。 离子的振动吸收是造成在0. 95um, ()。
其中，1. 39um处吸收峰最强; um处次之，~1/10; um处最低。随着生产工艺的改进，严格控制 OH的含量低于10，的关键技术已解决，因而 离子的吸收损耗可以忽略。从图中还可看出，,,，即低损耗区。光纤材料的吸收效应具有均匀性和累加性，通过长度为L光纤的总吸收量与长度L有关。若单位长度光纤材料的吸收系数为a，则经过L(cm)长度光纤后，剩余光功率所占的比例应为
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(2)光纤材料的散射损耗
光纤材料中由于存在远小于波长的不均匀性(例如存在原子密度的起伏，掺杂粒子不均匀等)，引起折射率的不均匀并导致光的散射，从而造成光纤的散射损耗。这种散射将使光纤中传导模式的光率，部分甚至全部转化为另一种模式的光功率(例如辐射模或泄漏模)，且这种转化又同原有传导模式的光功率成正比，因而称这种散射为线性散射。线性散射的特点是:不引起光波频率、波长的改变。因此，散射光仍为原来的光波长。
线性散射损耗属于光纤的本征损耗。线性散射具体可分为两类:瑞利散射和米式散射。它们都是由光纤中某些非理想的物理性质造成的，难以在制造过程中消除这些缺陷。
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①瑞利散射损耗。瑞利散射的机理是由于光纤制造过程中材料从高温熔融到冷却状态过程中形成的折射率分布不均匀引起的。这些分布不