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RP 系列激光分析设计软件 | 无源光纤（第七部分）

本教程包含以下部分：

① 玻璃光纤中的导光

② 光纤模式

③ 单模光纤

④ 多模光纤

⑤ 光纤末端

⑥ 光纤接头

⑦ 传播损耗

⑧ 光纤耦合器和分路器

⑨ 偏振问题

⑩ 光纤的色散

⑪ 光纤的非线性

⑫ 光纤中的超短脉冲和信号

⑬ 附件和工具

这是 Paschotta 博士的无源光纤教程的第 6 部分

第七部分：传播损耗

当光在纤芯中作为导波传播时，它会经历一些功率损耗。这些对于通过光纤电信电缆进行长距离数据传输尤为重要。

通常，传播损耗在途中近似恒定，具有一定的衰减系数 α。然后功率简单地与 exp (− α z ) 成比例衰减，其中 z 是传播距离。损耗通常以 dB / km 为单位；该值是 1 / km 功率衰减系数的 ≈4.343 倍。当然，损耗取决于光波长。

传播损失的起源

光纤中的传播损失可能有多种来源：

① 该材料可能具有一些固有吸收。例如，当波长超过 ≈1.7 μm 时，石英纤维会越来越多地吸收光。因此，它们很少用于超过 2 μm 的波长。额外的孤立吸收峰可能来自某些杂质。例如，如果芯材不是无水的，二氧化硅纤维在 1.39 μm 和 1.24 μm 附近表现出增加的吸收损失。

② 在短波长下，玻璃中的瑞利散射变得越来越重要；瑞利散射对衰减系数的贡献与波长的四次幂成反比。请注意，核心玻璃是一种无定形材料，在显微镜下永远不会完全均匀。即使采用最现代的纤维制造技术，也存在不可避免的“冻结”密度波动。

③ 还有一些非弹性散射——自发拉曼散射和布里渊散射。这些影响可通过散射（和频移）光测量，但通常不会对传播损耗产生重大影响。然而，拉曼和布里渊散射在高光强度下会导致巨大的损失（通过将能量转移到其他波长），在这种情况下，受激散射是可能的。这是一种非线性效应，将在第 11 部分进行处理。

④ 增加的散射损失可能是由于纤芯/包层界面的不规则性造成的。对于具有大折射率对比度（高数值孔径）的光纤，这个问题更为严重。此外，较大的折射率对比度通常意味着纤芯的锗掺杂程度较高，这使得它暂时不太均匀。因此，用于通过电信光缆进行长距离数据传输的低损耗单模光纤具有相对较小的 NA，即使较高的 NA 会提供更稳健的引导。

⑤ 此外，可能存在弯曲损耗（见下文）。

固有损耗通常在光纤长度上非常均匀。对于额外的损失，情况不一定如此；例如，纤芯/包层界面的不规则性或化学杂质可能无法平滑分布。

图 1 显示了石英光纤固有的不可避免的传播损耗。在 1.55 μm 附近（恰好是掺铒光纤放大器工作良好的波长区域），损耗最小值约为 0.2 dB / km。为长途光纤通信开发的一些电信光纤几乎达到了低损耗水平，这需要非常纯净的玻璃材料。如果光纤含有羟基 ( OH ) 离子，则在损耗光谱中可以看到 1.39 μm 和 1.24 μm 处的附加峰。

图 1：二氧化硅的内在损失。在长波长处，与振动共振相关的红外吸收占主导地位。在较短的波长下，玻璃不可避免的密度波动处的瑞利散射更为重要。

如果光纤损耗仅为 0.2 dB / km，这意味着即使在 100 km 的传播距离之后，仍然有 1% 的原始光功率。这通常足以可靠地检测数据信号，即使在非常高的比特率下也是如此。多模光纤通常具有更高的传播损耗，因为它们通常具有更高的数值孔径。

弯曲损耗

例如，弯曲损耗是由光纤的强烈弯曲引起的传播损耗。通常，这种损失在正常条件下可以忽略不计，但一旦达到某个临界弯曲半径，就会急剧增加。对于具有强大引导特性（高数值孔径）的光纤来说，临界半径相当小——它可以小到几毫米。然而，对于具有大有效模式面积的单模光纤（具有非常低数值孔径的大模式面积光纤），它可以大得多——通常为几十厘米。这样的纤维在使用过程中必须保持笔直。

对于弯曲损耗的计算，有一些基于简化模型的分析公式，这些公式可能准确反应现实，也可能不准确。数值光束传播通常是首选方法；它不需要更强的简化，并详细告诉我们光发生了什么。

例如，考虑光纤半径为 20 μm 且数值孔径为 0.05 的少模光纤。作为测试，我们排列光纤，使弯曲沿光纤长度变得越来越紧：反曲率半径随传播距离线性增加。发射的光完全处于基本模式。

图 2：沿光纤增加弯曲的幅度分布。使用 RP Fiber Power 软件对光束传播进行数值模拟。

图 2 显示了 yz 平面中的模拟幅度分布。可以看到模式变得更多并转移到一侧（弯曲曲线的外侧），变得非常小，最后损失更多和光到包层。在中间（z = 100 mm），弯曲半径已达到 50 mm；这大约是临界弯曲半径。

对于 LP 11模式，弯曲损耗引起的衰减变得更加严重，如图 3 所示。这里，弯曲损耗设置得较早，基本上所有功率在 120 mm 之后都已经损失。

图 3：与图 2 相同，但针对 LP 11模式。

通常，对于高阶模式，临界弯曲半径要大得多。（这有时被用来滤除高阶模式。）图 4 显示了所有模式的数值模拟弯曲损耗如何取决于弯曲半径：

图 4：弯曲损耗与光纤不同导模的弯曲半径的函数关系。

下一期将介绍第八部分：光纤耦合器和分路器

敬请关注！

RP 系列 激光分析设计软件 | 无源光纤（ 第七部分）

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