光纤通信：吸收损耗与渐变型多模光纤解析

“吸收损耗-光纤通信课件” 光纤通信中，吸收损耗是影响信号传输质量的重要因素之一。根据描述，吸收损耗主要包括以下三种类型： 1. **紫外吸收损耗**：在紫外光区域，石英光纤材料的电子发生跃迁，导致对光能量的强烈吸收。为了减少这种损耗，光纤的设计通常将工作波长选择在0.8至1.6微米的范围，以避开紫外吸收峰。 2. **红外吸收损耗**：在红外光区域，光纤内的分子振动引起吸收，尤其是在9微米波段附近的吸收变化显著。设计时需考虑这些特性以优化光纤性能。 3. **杂质吸收损耗**：过渡金属离子如Fe2+、Co2+、Cu2+以及氢氧根(OH-)离子会在特定波长，如0.95微米、1.24微米和1.39微米，产生吸收峰，其中1.39微米处的吸收峰对传输影响最大。因此，光纤制造过程中需要严格控制材料纯度，减少这些杂质的影响。 接下来，我们深入讨论光纤的基本知识，特别是渐变型多模光纤： 渐变型多模光纤（Gradient Index Multimode Fiber）因其特殊的折射率分布而能够减小脉冲展宽，增加带宽。其折射率随着径向坐标r的变化而变化，可以由以下公式表示： \[ n(r) = n_1\left[1 - \Delta\right] + \Delta \cdot g \cdot (1 - r^2/a^2) \] 其中： - \( n_1 \) 是纤芯中心的折射率， - \( n_2 \) 是包层的折射率， - \( r \) 是径向坐标， - \( a \) 是纤芯半径， - \( \Delta = (n_1 - n_2) / n_1 \) 是相对折射率差， - \( g \) 是折射率分布指数。 当\( g \)趋向于无穷大且\( (r/a) \)趋向于零时，此公式描述的是突变型多模光纤的折射率分布。而当\( g = 2 \)时，折射率按平方律变化，即呈抛物线形状，这样的分布有助于减小脉冲展宽。 渐变型多模光纤的数值孔径（Numerical Aperture, NA）随径向坐标r变化，因此需要定义局部数值孔径NA(r)和最大数值孔径NAmax。光线在光纤中的传播可以通过波动理论分析法进行建模，通过解特征方程确定电磁场的分布和传输特性。 在光纤中，电场Ez(r,φ,z)和磁场Hz(r,φ,z)可以用Bessel函数表示，这些函数依赖于特征参数u、w和β，其中u和w控制横向电磁场分布，β则决定了纵向电磁场分布和传输性质。 理解吸收损耗和渐变型多模光纤的工作原理对于优化光纤通信系统至关重要。通过精细控制光纤材料和结构，可以有效降低损耗，提高光信号的传输效率和质量。