光纤损耗浅谈

摘要： 光纤以其低损耗、易弯曲、体积小等特点而获得广泛的应用，本文介绍了光纤的损耗类型和原理。

Abstract： Fiber has been gotten a wide range of application with the characteristics， such as low loss， easy to bend， small size and so on， the article describes the type and principle of fiber loss.

关键词： 光纤损耗；吸收损耗；散射损耗

Key words： fiber loss；absorption loss；scattering loss

中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）06-0078-02

0 引言

实现光纤通信，一个重要的问题是尽可能地降低光纤的损耗。近年来，光纤通信在许多领域得到了广泛的应用。所谓损耗是指光纤每单位长度上的衰减，光纤由于自身材料原因会部分吸收在其内部传输的光波所具有的能量，单位为dB/km[1]。同时光纤本身的结构或制作缺陷，以及相邻光纤连接处存在的不完全耦合等现象，了解并降低光纤的损耗对光纤通信有着重大的现实意义。都会降低其内部传输光波的光功率，造成传输的损耗。

1 光纤的损耗类型列图如下

1.1 光纤的散射损耗 光纤内部的散射，会使光纤的传输功率变小从而使光纤在传输过程中产生损耗。在所有的散射中，瑞利散射是最重要，光纤材料在加热过程中，由于热搅动，它的产生是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的，使材料中原子得到不平衡的压缩，从而使其折射率产生不均匀性，该材料的密度是不统一的。当热搅动完成后，光纤材料的折射率就被固定下来，这样就使得光波的波长要比光纤的长。光在传输时遇到这些波长小的介质时，产生散射，引起损耗，改变了传输方向，带有随机起伏的不均匀物质。同时，由于光纤材料中还含有一些非均匀的杂质，这些同样会引起光在传输中的散射，导致损失。

1.2 光纤的弯曲损耗 在实际操作中，对光纤进行弯曲变形使得光纤的曲率半径远大于使用中光纤直径的弯曲，这就将造成一部分的附加损耗，即光纤的宏观弯曲损耗。光纤的宏观弯曲损耗的产生是由于光纤弯曲产生的空间滤波、模式泄漏及模式耦合，最主要的是空间滤波效应所造成的损耗。空间滤波是一种物理效应。光纤中光波的传播是依赖于光纤的全反射条件，由于光纤弯曲导致这种条件的破坏，使进入光纤弯曲部分的光从高阶模折射到包层中，而其所携带的能量也将被辐射出去[3]。空间滤波效应的存在，使得光纤直线部分所承载的模式数大于光纤弯曲部分所承载的模式数，故而当其弯曲程度变大时（弯曲的曲率半径R变小），这种效应也将变得十分明显，从而造成光纤传输损耗。模式泄漏损耗，是指光纤弯曲导致光纤传播的各种模式发生的某种程度的损耗。在光纤中传播的场，最后都会有一部分要传到包层中，而这种渐逝波场的强度将随着离光纤轴线径向距离的增加而呈现出几何指数规律衰减。在光纤中的弯曲部分，为了保持波形的完整性，纤芯中的场必须与包层中的场保持一致性，也就是说，越远离曲率中心的场，它的运动速度必然越大，到离曲率中心的临界距离处，其速度等于光速。超过临界距离，渐逝场尾部的速度大于光的速度，但是，这是不可能的，所以渐逝场的能量只能从光纤中被辐射出去，导致传输损耗[4]。

1.3 光纤的吸收损耗 光纤的吸收损耗，导致光纤中部分的光功率转换所带来的传输损耗，主要是由于量子跃迁所带来的热量损失，它的吸收损耗的三种形式：是本征吸收损耗、杂质吸收损耗和原子吸收损耗。由于紫外波段和红外波段的电子跃迁与振动的存在，光纤的本征吸收是难以避免的。当波段吸收带达到一定的程度时，其尾端可延伸到0.7—1.1μm的光纤通信波段。相对于杂志吸收损耗和原子吸收损耗而言，本征吸收的损耗一般约为0.01—0.05dB/km，还是比较小的。杂质吸收是一种过渡金属离子和氢氧根阴离子所引起的吸收，主要原因是由包含在光纤材料中的电子跃迁，通过复杂的光纤制备过程中，我们可以将光纤材料中的杂质清除。当过渡金属含量减少到小于10-9幅度，由金属离子引起的杂质吸收就可基本解决。氢氧化杂质包含在光纤中是难以消除的，其分子的振动过渡到形成在某个频带（0.72微米，0.95μm，1.24μm，1.39μm等）的吸收峰，而在一些其他波段（0.85微米，1.31μm，1.55fμm等）的吸收非常小，特别是在1.55μm的波段吸收最小，形成一个良好的通信窗口[2]。

原子缺陷吸收，使光纤材料受激出现原子缺陷产生的损耗。主要是由于强烈的热、光或射线辐射，要减少光纤材料的院子缺陷损失，现在没有太好的办法，只能通过选择一些特殊的材料，例如石英，这时可以把材料的缺陷吸收降到几乎为零。

1.4 光纤制造损耗 光纤制造损耗主要由光纤中不纯成分的吸收和光纤的结构缺陷引起，是在制造光纤的工艺过程中产生的，杂质吸收中其中OH-离子的影响比较大，对光纤通信系统影响较大[5]，对各种过渡金属离子和OH-离子导致的光的损耗。吸收峰分别位于950nm，1240nm和1390nm，随着光纤制造工艺的日趋完善，过渡金属的影响已不显著，甚至小到可忽略不计的程度，可以使OH-离子在1390nm处的损耗降低到0.04dB/km，是目前的最好的工艺。此外，光纤结构的不完善也会带来散射损耗。

2 结束语

光纤通信是当代新技术革命的特征之一，中继站间距可以增长，这就降低了远距离通信的费用，制造低损耗和超低损耗光纤，可以使光信号传输更长距离而不用增强。光纤研究的重要课题之一，使损耗降低到最小程度，研究损耗机理，寻找降低损耗的途径。

参考文献：

[1]郑书信.光纤损耗机理研究[J].西安建筑工程学院院报，1995.

[2]谭海艳，赵鑫.光纤损耗的理论分析与测量[J].甘肃科技，2009.

[3]郭风珍，于长泰.光纤传感技术与应用[M].杭州：浙江大学出版社，1992.

[4]王学仁.光纤传感器[M].武汉：华中理工大学出版社，1996.

[5]叶培大.光纤理论[M].北京：知识出版社，1985.