光纖損耗

光信號經光纖傳輸后，由於吸收、散射等原因引起光功率的減小。光纖損耗是光纖傳輸的重要指標，對光纖通信的傳輸距離有決定性的影響。

實現光纖通信，一個重要的問題是儘可能地降低光纖的損耗。

儘管光波有著極大的帶寬，但在1961－1970年，人們主要研究利用大氣傳輸光信號，實踐證明，由於受到氣候環境的嚴重影響，無法實現正常的通信。在人們考慮的其它傳輸介質中，用石英玻璃材料製成的光導纖維即光纖來傳輸光信號成為研究的重點。但是當時普通石英玻璃材料的損耗高達1000dB/km，傳輸距離很有限。1966年7月，英國標準電信研究所的英藉華人高錕（K.C.Kao）博士和霍克哈姆（G.A.HocKham）博士根據介質波導理論指出：光纖的高損耗並不是其本身固有的，而是由材料中所含的雜質引起的。並預言如果降低材料中的雜質含量，可使得光纖的損耗降至20dB/km，甚至更小。1970年，美國康寧（Corning）玻璃有限公司成功地研製了損耗為20dB/km的低損耗石英光纖，這使得光纖完全能勝任作為傳輸光波的傳輸媒介，也開闢了光纖通信的新紀元。

一、光纖的吸收損耗

這是由於光纖材料和雜質對光能的吸收而引起的，它們把光能以熱能的形式消耗於光纖中，是光纖損耗中重要的損耗，吸收損耗包括以下幾種：

1、物質本徵吸收損耗

這是由於物質固有的吸收引起的損耗。它有兩個頻帶，一個在近紅外的8～12μm區域里，這個波段的本徵吸收是由於振動。另一個物質固有吸收帶在紫外波段，吸收很強時，它的尾巴會拖到0.7～1.1μm波段里去。

（1）紫外吸收

光纖損耗

光纖材料的電子吸收入射光能量躍遷到高的能級，同時引起入射光的能量損耗，一般發生在短波長範圍。

（2）紅外吸收

光纖損耗

光波與光纖晶格相互作用，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起的損耗。

（3）本徵吸收曲線

2、不純物的吸收，主要是光纖材料中含有鐵、銅、鉻等離子，還有OH-。金屬離子含量越多，造成的損耗就越大，只要嚴格控制這些金屬離子的含量。可以使它們造成的損耗迅速下降。它們對短波長的影響很大，對長波長的影響較小。OH-離子在1.38μm、0.95μm二個波長上有吸收損耗峰，以1.38μm上的吸收最嚴重，在1.25μm波長上也有小的吸收峰。如把OH-離子含量降到十億分之一以下，在1.38μm波長上的吸收損耗可以忽略不計，使整個長波長區成為平坦的無吸收損耗區（見圖中1980年的曲線）。

3、原子缺陷吸收是光纖在製造過程中玻璃受到熱激勵或受強輻射時，產生原子缺陷而造成的損耗。

二、光纖的散射損耗

散射損耗是由於光纖材料組份中原子密度微起伏或光纖波導結構缺陷等使光功率耦合出或泄露出纖芯外所造成的損耗。

本徵散射是材料散射中最重要的散射，其損耗功率與傳播模式的功率成線性關係。它是由於材料原子或分子以及材料結構的不均勻性。使得材料的折射率產生微觀的不均勻性而引起傳輸光波的散射。這種散射是材料固有的，不能消除，是光纖損耗的最低極限，瑞利散射即屬於這一類。瑞利散射損耗與波長四次方成反比，在長波長上工作時，光纖的損耗可大大減小。

另一類本徵散射是摻雜不均勻引起的，在光纖製造中，為了改變玻璃的折射率，需要摻雜某種氧化物，當氧化物濃度不均勻或起伏時就會引起這種散射。

非線性散射有受激布里淵散射和受激拉曼散射。介質在強光功率密度作用下，入射光子與介質分子發生非彈性碰撞時會產生聲子，當光是被傳播的聲學聲子所散射時，稱為布里淵散射；當光是被分子振動或光學聲子所散射時，稱為拉曼散射。這兩種受激散射都有一個閾值功率，只有超過此值時才會發生。在通常的光通信系統中，輸入光纖的光功率一般較低，通常不產生非線性散射。

三、光纖的結構不規則損耗

結構不規則損耗是由於纖芯包層界面上存在著微小結構波動和光纖內部波導結構不均勻而引起的那部份損耗。光纖結構不規則時要發生模變換，將部份傳輸能量射出纖芯外而變成輻射模，使損耗增加。這種損耗可以靠提高製造技術來降低。

四、光纖的彎曲損耗

彎曲損耗是光纖軸彎曲所引起的損耗。任何肉眼可見的光纖軸線對於直線的偏移稱作彎曲或宏彎曲。光纖彎曲將引起光纖內各模式間的耦合，當傳播模的能量耦合入輻射模或漏泄模時，即產生彎曲損耗。這種損耗隨曲率半徑的減小按指數規律增大。另一類損耗是光纖軸產生隨機的微米級的橫向位移狀態所成的，稱作微彎損耗。產生微彎的原因是光纖在被覆、成纜、擠護套、安裝等過程中，光纖受到過大的不均勻側壓力或縱嚮應力，或光纖製造后因塗覆層或外套的溫度膨脹係數與光纖的不一致等造成的。

摻雜劑和雜質離子引起的吸收損耗

光纖材料中含有躍遷金屬如鐵、銅、鉻等，它們有各自的吸收峰和吸收帶並隨它們價態不同而不同。由躍遷金屬離子吸收引起的光纖損耗取決於它們的濃度。另外，OH－存在也產生吸收損耗，OH－的基本吸收極峰在2.7μm附近，吸收帶在0.5～1.0μm範圍。對於純石英光纖，雜質引起的損耗影

響可以不考慮。

解決方法：(1)光纖材料化學提純，比如達到99.9999999%的純度。（2）製造工藝上改進，如避免使用氫氧焰加熱(汽相軸向沉積法)

原子缺陷吸收損耗

光纖材料由於受熱或強烈的輻射，它會受激而產生原子的缺陷，造成對光的吸收，產生損耗，但一般情況下這種影響很小。

引起光纖損耗的因素

光纖的損耗因素主要有吸收損耗、散射損耗和其他損耗。這些損耗又可以歸納為本徵損耗、製造損耗和附加損耗等。

本徵損耗

本徵損耗是指光纖材料固有的一種損耗，是無法避免的，它決定了光纖的損耗極限。石英光纖的本徵損耗包括光纖的本徵吸收和瑞利散射造成的損耗。本徵吸收是石英材料本身固有的吸收，包括紅外吸收和紫外吸收。紅外吸收是由於分子震動引起的，它在1500～1700nm波長區對光纖通信有影響；紫外吸收是由於電子躍遷引起的，它在700～1100nm波長區對光纖通信有影響。瑞利散射是由於光纖折射率在微觀上的隨機起伏所引起的，這種材料折射率的不均勻性使光波產生散射。瑞利散射在600～1 600nm波段對光纖通信產生影響。

光纖製造損耗

光纖製造損耗是在製造光纖的工藝過程中產生的，主要由光纖中不純成分的吸收(雜質吸收)和光纖的結構缺陷引起。雜質吸收中影響較大的是各種過渡金屬離子和OH-離子導致的光的損耗。其中OH-離子的影響比較大，它的吸收峰分別位於950nm，1240mm和1390nm，對光纖通信系統影響較大。隨著光纖製造工藝的日趨完善，過渡金屬的影響已不顯著，最好的工藝已可以使OH-離子在1390nm處的損耗降低到0?04dB/km，甚至小到可忽略不計的程度。此外，光纖結構的不完善也會帶來散射損耗。

附加損耗是在光纖成纜之後出現的損耗，主要是由於光纖受到彎曲或微彎時，使得光產生了泄漏，造成光損耗。

除上述3類損耗外，在光纖的使用中還會存在連接損耗、耦合損耗，如果光纖中入射光功率超出某值時還會有非線性效應帶來的散射損耗。

光纖的損耗特性曲線——損耗譜

將以上三類損耗相加就可以得到總的損耗，它是一條隨波長而變化的曲線，叫做光纖的損耗特性曲線——損耗譜。

從石英光纖的損耗譜曲線可以看到光纖通信所使用的三個低損耗“窗口”——三個低損耗谷，它們分別是850 nm波段——短波長波段、1310nm波段和1550nm波段——長波長波段。光纖通信系統主要工作在1310nm波段和1550nm波段上，尤其是1550nm波段，長距離大容量的光纖通信系統多工作在這一波段。

衰減係數相關因素

石英光纖損耗譜示意圖

光纖的損耗譜形象地描繪了衰減係數與波長的關係。從光纖損耗譜可以看出，衰減係數隨波長的增大呈降低趨勢；損耗的峰值主要與OH-離子有關。另外，波長大於1600nm時損耗增大的原因是由於石英玻璃的吸收損耗和微(或宏)觀彎曲損耗引起的。光纖的製造工藝可以消除光纖在1385nm附近的0H-離子的吸收峰，使光纖在整個1300～1600nm波段都有很低的損耗。

總的來說，光信號在光纖中傳播的時候，其功率隨距離L的增加呈指數衰減：

光纖損耗

那麼，評價光纖損耗特性可以通過損耗係數來衡量。光纖的損耗係數定義為：

光纖損耗

其中L為光纖長度，Pin和Pout分別為輸入和輸出光功率。一般標準單模光纖在1550nm的損耗係數為0.2dB/km。

本徵光纖損耗是指光纖材料固有的一種損耗，引起本徵光纖損耗的因素主要有兩個：光的散射和光的吸收。

光的散射是光纖損耗的另一個重要原因。光纖的散射損耗是指在玻璃結構中分子水準上的不規則所造成的光的散射。

光的吸收是光纖傳輸中引起光損耗的主要原因，這是由於光纖材料和雜質對光能的吸收而引起的，因此，光的吸收損耗也被稱為光纖材料吸收損耗。

本徵光纖損耗，包括光的吸收和散射，只是光纖損耗的一方面原因。非本徵光纖損耗是光纖損耗的另一方面重要原因，通常是由光纖的不正當處理引起的。非本徵光纖損耗主要有兩種類型：對接損耗和彎曲損耗

在光纖網路中，光纖之間的互相連接是必然的。接續引起的光纖損耗不可避免，但可以經過恰當的處理減小到最小。選用光纖熔接或使用高質量的光纖連接器可能效降低因光纖接續所產生的損耗。