光纤为何会有损耗?

光通信中,如果光纤没有损耗,理论上可以传无限远,但是事实并不是如此,光纤的损耗实实在在存在,今天就来聊聊光纤的损耗。


光纤损耗的定义


光纤的损耗(loss)是衡量光纤性能的关键指标之一。它决定了光纤通信系统所能达到的最大无中继距离。

光纤损耗 定义为单位长度光纤光功率衰减的分贝数,即:


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其中,Pin、Pout分别为输入和输出光纤的有效功率。


那光纤损耗的来源有哪些呢?或者说光纤损耗的根本原因是什么呢?
光纤损耗的来源
光纤损耗从大的方面,可分为固有损耗和附加损耗。其中,固有损耗又分为吸收损耗和散射损耗;附加损耗又分为弯曲损耗、接续损耗和耦合损耗,如下图所示。
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1. 吸收损耗


吸收损耗是指由于组成光纤的材料及其中的杂质对光波的吸收,使一部分光能转变为热能散失,从而造成光功率的损失。具体又分为本征吸收损耗、杂质吸收损耗和原子缺陷吸收损耗。

(1)本征吸收损耗:本征吸收损耗是指光纤材料在不含有杂质的情况下自身的固有吸收。根据吸收机理可分为紫外本征吸收和红外本征吸收两种。

(2)杂质吸收损耗:杂质吸收是由于光纤中的杂质对光的吸收作用而造成的附加吸收损耗。这里的杂质并非指光纤中的掺杂物,而是指由于材料不纯或工艺不完善而引入的杂质。

杂质吸收损耗中,影响最为严重的有两种杂质:

  • 过渡金属离子:铁、铬、钴、铜等,杂质含量的浓度越大,损耗越大。

  • 氢氧根离子:当熔融的石英玻璃中含有水份时,由于水分子中氢氧根离子的振动而造成吸收损耗。


(3)原子缺陷吸收损耗:原子缺陷吸收损耗是指玻璃材料受到某种激励(热激励或强辐射激励)时所产生的一种损耗。原子缺陷吸收损耗可高达几百 dB/km甚至几万  dB/km
2. 散射损耗


散射损耗是指由于波长的不均匀性(如折射率不均匀、掺杂离子浓度不均匀等)引起光的散射而造成的损耗。

(1)瑞利散射损耗:瑞利(Rayleigh)散射损耗是指在制造光纤过程中,由于局部浓度微观漂移而引起的一种损耗。即在制造石英玻璃光纤的过程中,因为冷却条件不均匀而出现分子级大小的密度不均匀,使得折射率不均匀而引起的散射。

(2)结构不完善散射损耗:结构不完善散射损耗有的资料上也称为波导散射损耗,是指在光纤制造过程中,由于光纤存在缺陷而引起的损耗。如气泡、粗细不均匀、纤芯与包层交界面粗糙等。当光线传输遇到这些缺陷时,就会产生光的散射,引起损耗。

3.弯曲损耗

弯曲损耗是指光纤弯曲的曲率半径小到一定程度时,纤芯中传输的光射线不再满足全反射条件,使光由纤芯折射到包层,即光功率由传输模转变为辐射模而引起的损耗。

弯曲损耗依模式不同分为宏弯(Macro bending)损耗微弯(Micro bending)损耗两种。

宏弯损耗:光纤的曲率半径比光纤直径大的多的弯曲(宏弯)引起的附加损耗,主要原因有:路由转弯和敷设中的弯曲;光纤光缆的各种预留造成的弯曲(预留圈、各种挠弯、自然弯曲);接头盒中光纤的盘留、机房及设备内尾纤的盘绕等。

微弯损耗:光纤轴产生μm 级的弯曲(微弯)引起的附加损耗,主要原因有:光纤成缆时,支承表面微小的不规则引起各部分应力不均匀而形成的随机性微弯;纤芯与包层的分界面不光滑形成的微弯;光缆敷设时,各处张力不均匀而形成的微弯;光纤受到的侧压力不均匀而形成的微弯;光纤遇到温度变化,因热胀冷缩形成的微弯。

4.接续损耗

接续损耗又称为连接损耗,是指两根光纤连接时由于发生空间错位而产生的损耗。

5.耦合损耗

耦合损耗是指光源和光探测器与光纤之间耦合时产生的损耗。

光纤在使用过程中,其固有损耗由于源自光纤本身,因此损耗值相对固定,但其附加损耗由于受到人为操作和环境变化因素影响较大,因此损耗值波动范围较大。

实际使用中,附加损耗往往决定了整条光纤链路的品质,因此,必须严格按规范操作光纤光缆,将附加损耗降至最低。

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