光纤通信技术革新的重要性

所谓光纤损耗是指光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，其光功率逐渐下降的现象。光纤损耗大致可分为光纤具有的固有损耗以及光纤制成后由使用条件造成的附加损耗。固有损耗包括吸收损耗、散射损耗和因光纤结构不完善引起的损耗。附加损耗则包括弯曲损耗和接续损耗。

1、吸收损耗

制造光纤的材料能够吸收光能。光纤材料中的粒子吸收光能以后，产生振动、发热，而将能量散失掉，这样就产生了吸收损耗。我们知道，物质是由原子、分子构成的，而原子又由原子核和核外电子组成，电子以一定的轨道围绕原子核旋转。这就像我们生活的地球以及金星、火星等行星都围绕太阳旋转一样，每一个电子都具有一定的能量，处在某一轨道上，或者说每一轨道都有一个确定的能级。距原子核近的轨道能级较低，距原子核越远的轨道能级越高。轨道之间的这种能级差别的大小就叫能级差。当电子从低能级向高能级跃迁时，就要吸收相应级别的能级差的能量。在光纤中，当某一能级的电子受到与该能级差相对应的波长的光照射时，则位于低能级轨道上的电子将跃迁到能级高的轨道上。这一电子吸收了光能，就产生了光的吸收损耗。根据吸收材料的不同，吸收损耗又分为本征吸收损耗和杂质吸收损耗。

1.1本征吸收损耗

本征吸收损耗是制造光纤的基本材料二氧化硅（SiO2）的吸收而引起的，分为紫外吸收和红外吸收。目前光纤通信一般仅工作在0.8～1.6μm波长区，因此我们只讨论这一工作区的损耗。石英玻璃中电子跃迁产生的吸收峰在紫外区的0.1～0.2μm波长左右。随着波长增大，其吸收作用逐渐减小，但影响区域很宽，直到1μm以上的波长。不过，紫外吸收对在红外区工作的石英光纤的影响不大。例如，在0.6μm波长的可见光区，紫外吸收可达1dB／km，在0.8μm波长时降到0.2～0.3dB／km，而在1.2μm波长时，大约只有0.ldB／km。石英光纤的红外吸收损耗是由红外区材料的分子振动产生的。在2μm以上波段有几个振动吸收峰。由于受光纤中各种掺杂元素的影响，石英光纤在2μm以上的波段不可能出现低损耗窗口，在1.85μm波长的理论极限损耗为ldB／km。

1.2杂质吸收损耗

在光纤中除了二氧化硅（SiO2）外还含有一定量的杂质，这些杂质也是由原子构成也会引起吸收损耗。光纤中的杂质可以分为两类，一类是过渡的金属粒子，另一类是氢氧根（OHˉ）。通过对制造光纤的材料进行严格的化学提纯，就可以大大降低由金属离子引起的损耗。石英光纤中的另一个吸收源是氢氧根（OHˉ），经过长期研究，人们发现氢氧根在光纤工作波段上有三个吸收峰，它们分别是0.95μm、1.24μm和1.38μm，其中1.38μm波长的吸收损耗最为严重，对光纤的影响也最大。在1.38μm波长，含量仅占0.0001的氢氧根产生的吸收峰损耗就高达33dB/km。

2、散射损耗

根据引起机理的不同，散射损耗分为瑞利散射损耗和波导散射损耗。

2.1瑞利散射损耗

瑞利散射是指光波在传输过程中遇到直径比光波长还小的微小颗粒时向四面八方散开的现象，由于瑞利散射而引起的损耗叫瑞利散射损耗。光纤中的瑞利散射损耗是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。光纤材料在加热过程中，由于热骚动，使原子得到的压缩性不均匀，使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀。这种不均匀在冷却过程中被固定下来而成为“孤岛”，它们的尺寸比光波波长要小。光在传输时遇到这些“孤岛”改变了传输方向，产生散射，引起损耗。另外，光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射，产生损耗。鉴于目前的光纤制造工艺水平，可以说瑞利散射损耗是无法避免的。但是，由于瑞利散射损耗的大小与光波长的4次方成反比，所以光纤工作在长波长区时，瑞利散射损耗的影响可以大大减小。

2.2波导散射损耗

光纤结构不完善，如光纤中有气泡、杂质，或者粗细不均匀，特别是芯-包层交界面不平滑等，光线传到这些地方时，就会有一部分光散射到各个方向，造成损耗。这种损耗是可以想办法克服的，那就是要改善光纤制造的工艺。

3、弯曲损耗

在施工中会不可避免的弯曲光纤，当光纤弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生弯曲损耗。光纤的这种弯曲可以分为大弯和微弯。大弯：指弯曲半径比光纤直径大得多的弯曲。微弯：光纤轴产生微小不规则的弯曲。光纤在成缆、铺设过程中受到不均匀作用力，如受到侧压力或光纤遇到温度变化时产生的。微弯损耗是造成弯曲损耗的主要原因。

4、接续损耗

光纤铺设过程中要将光纤一根一根地接续起来，光纤的这种接续会产生损耗。造成光纤连接损耗的原因主要有五种：光纤轴向错位、光纤轴向错位、端面间空隙过大、端面倾斜和线径不一致（如图1）。通过本文对光纤损耗种类及引起原因的分析，我们就可以在光缆施工中采取相对措施来尽量减小光纤损耗，从而提高光纤的传输质量和无中继传输距离。