造成光纖衰減的多種原因分析

1、造成光纖衰減的主要因素有：

本征，彎曲，擠壓，雜質(zhì)，不均勻和對接等。

本征：是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。

彎曲：光纖彎曲時部分光纖內(nèi)的光會因散射而損失掉，造成損耗。

擠壓：光纖受到擠壓時產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。

雜質(zhì)：光纖內(nèi)雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。

不均勻：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。

對接：光纖對接時產(chǎn)生的損耗，如：不同軸(單模光纖同軸度要求小于0.8μm)，端面與軸心不垂直，端面不平，對接心徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。

當光從光纖的一端射入，從另一端射出時，光的強度會減弱。這意味著光信號通過光纖傳播后，光能量衰減了一部分。這說明光纖中有某些物質(zhì)或因某種原因，阻擋光信號通過。這就是光纖的傳輸損耗。只有降低光纖損耗，才能使光信號暢通無阻。

2、光纖損耗的分類

光纖損耗大致可分為光纖具有的固有損耗以及光纖制成后由使用條件造成的附加損耗。具體細分如下：

光纖損耗可分為固有損耗和附加損耗。

固有損耗包括散射損耗、吸收損耗和因光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的損耗。

附加損耗則包括微彎損耗、彎曲損耗和接續(xù)損耗。

其中，附加損耗是在光纖的鋪設(shè)過程中人為造成的。在實際應(yīng)用中，不可避免地要將光纖一根接一根地接起來，光纖連接會產(chǎn)生損耗。光纖微小彎曲、擠壓、拉伸受力也會引起損耗。這些都是光纖使用條件引起的損耗。究其主要原因是在這些條件下，光纖纖芯中的傳輸模式發(fā)生了變化。附加損耗是可以盡量避免的。下面，我們只討論光纖的固有損耗。

固有損耗中，散射損耗和吸收損耗是由光纖材料本身的特性決定的，在不同的工作波長下引起的固有損耗也不同。搞清楚產(chǎn)生損耗的機理，定量地分析各種因素引起的損耗的大小，對于研制低損耗光纖，合理使用光纖有著極其重要的意義。

3、材料的吸收損耗

制造光纖的材料能夠吸收光能。光纖材料中的粒子吸收光能以后，產(chǎn)生振動、發(fā)熱，而將能量散失掉，這樣就產(chǎn)生了吸收損耗。

我們知道，物質(zhì)是由原子、分子構(gòu)成的，而原子又由原子核和核外電子組成，電子以一定的軌道圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。這就像我們生活的地球以及金星、火星等行星都圍繞太陽旋轉(zhuǎn)一樣，每一個電子都具有一定的能量，處在某一軌道上，或者說每一軌道都有一個確定的能級。距原子核近的軌道能級較低，距原子核越遠的軌道能級越高。軌道之間的這種能級差別的大小就叫能級差。當電子從低能級向高能級躍遷時，就要吸收相應(yīng)級別的能級差的能量。

在光纖中，當某一能級的電子受到與該能級差相對應(yīng)的波長的光照射時，則位于低能級軌道上的電子將躍遷到能級高的軌道上。這一電子吸收了光能，就產(chǎn)生了光的吸收損耗。

制造光纖的基本材料二氧化硅(SiO2)本身就吸收光，一個叫紫外吸收，另外一個叫紅外吸收。目前光纖通信一般僅工作在0.8～1.6μm波長區(qū)，因此我們只討論這一工作區(qū)的損耗。

石英玻璃中電子躍遷產(chǎn)生的吸收峰在紫外區(qū)的0.1～0.2μm波長左右。隨著波長增大，其吸收作用逐漸減小，但影響區(qū)域很寬，直到1μm以上的波長。不過，紫外吸收對在紅外區(qū)工作的石英光纖的影響不大。例如，在0.6μm波長的可見光區(qū)，紫外吸收可達1dB/km，在0.8μm波長時降到0.2～0.3dB/km，而在1.2μm波長時，大約只有0.ldB/km.

石英光纖的紅外吸收損耗是由紅外區(qū)材料的分子振動產(chǎn)生的。在2μm以上波段有幾個振動吸收峰。由于受光纖中各種摻雜元素的影響，石英光纖在2μm以上的波段不可能出現(xiàn)低損耗窗口，在1.85μm波長的理論極限損耗為ldB/km.

通過研究，還發(fā)現(xiàn)石英玻璃中有一些“破壞分子”在搗亂，主要是一些有害過渡金屬雜質(zhì)，如銅、鐵、鉻、錳等。這些“壞蛋”在光照射下，貪婪地吸收光能，亂蹦亂跳，造成了光能的損失。清除“搗亂分子”，對制造光纖的材料進行格的化學提純，就可以大大降低損耗。

石英光纖中的另一個吸收源是氫氧根(OHˉ)期的研究，人們發(fā)現(xiàn)氫氧根在光纖工作波段上有三個吸收峰，它們分別是0.95μm、1.24μm和1.38μm，其中1.38μm波長的吸收損耗最為嚴重，對光纖的影響也最大。在1.38μm波長，含量僅占0.0001的氫氧根產(chǎn)生的吸收峰損耗就高達33dB/km.

這些氫氧根是從哪里來的呢?氫氧根的來源很多，一是制造光纖的材料中有水分和氫氧化合物，這些氫氧化合物在原料提純過程中不易被清除掉，最后仍以氫氧根的形式殘留在光纖中;二是制造光纖的氫氧物中含有少量的水分;三是光纖的制造過程中因化學反應(yīng)而生成了水;四是外界空氣的進入帶來了水蒸氣。然而，現(xiàn)在的制造工藝已經(jīng)發(fā)展到了相當高的水平，氫氧根的含量已經(jīng)降到了足夠低的程度，它對光纖的影響可以忽略不計了。

4、散射損耗

在黑夜里，用手電筒向空中照射，可以看到一束光柱。人們也曾看到過夜空中探照燈發(fā)出粗大光柱。那么，為什么我們會看見這些光柱呢?這是因為有許多煙霧、灰塵等微小顆粒浮游于大氣之中，光照射在這些顆粒上，產(chǎn)生了散射，就射向了四面八方。這個現(xiàn)象是由瑞利最先發(fā)現(xiàn)的，所以人們把這種散射命名為“瑞利散射”。

散射是怎樣產(chǎn)生的呢?原來組成物質(zhì)的分子、原子、電子等微小粒子是以某些固有頻率進行振動的，并能釋放出波長與該振動頻率相應(yīng)的光。粒子的振動頻率由粒子的大小來決定。粒子越大，振動頻率越低，釋放出的光的波長越長;粒子越小，振動頻率越高，釋放出的光的波長越短。這種振動頻率稱做粒子的固有振動頻率。但是這種振動并不是自行產(chǎn)生，它需要一定的能量。一旦粒子受到具有一定波長的光照射，而照射光的頻率與該粒子固有振動頻率相同，就會引起共振。粒子內(nèi)的電子便以該振動頻率開始振動，結(jié)果是該粒子向四面八方散射出光，入射光的能量被吸收而轉(zhuǎn)化為粒子的能量，粒子又將能量重新以光能的形式射出去。因此，對于在外部觀察的人來說，看到的好像是光撞到粒子以后，向四面八方飛散出去了。

光纖內(nèi)也有瑞利散射，由此而產(chǎn)生的光損耗就稱為瑞利散射損耗。鑒于目前的光纖制造工藝水平，可以說瑞利散射損耗是無法避免的。但是，由于瑞利散射損耗的大小與光波長的4次方成反比，所以光纖工作在長波長區(qū)時，瑞利散射損耗的影響可以大大減小。

5、先天不足，愛莫能助

光纖結(jié)構(gòu)不完善，如由光纖中有氣泡、雜質(zhì)，或者粗細不均勻，特別是芯-包層交界面不平滑等，光線傳到這些地方時，就會有一部分光散射到各個方向，造成損耗。這種損耗是可以想辦法克服的，那就是要改善光纖制造的工藝。

散射使光射向四面八方，其中有一部分散射光沿著與光纖傳播相反的方向反射回來，在光纖的入射端可接收到這部分散射光。光的散射使得一部分光能受到損失，這是人們所不希望的。但是，這種現(xiàn)象也可以為我們所利用，因為如果我們在發(fā)送端對接收到的這部分光的強弱進行分析，可以檢查出這根光纖的斷點、缺陷和損耗大小。這樣，通過人的聰明才智，就把壞事變成了好事。