损耗

科学名词

当你打开家里的Wi-Fi，掏出手机上网时，你一定有过这样的经历：离无线路由器越近，上网速度越快；离得越远，上网速度越慢。这是为什么呢？原来呀，这是因为无线信号在空气中传播的时候损耗了。传播距离越远，损耗越大。

引子

如果你打开一个手电筒，向远方照射过去，你会发现光照射的距离没多远，而且越近的地方越亮，越远的地方越暗。这同样也是因为光在空气中传播的时候损耗了。

同样的，光信号在光纤中传播时，也存在损耗的现象。

影响

我们为什么要关心光纤通信中的损耗呢？损耗会带来哪些方面的影响呢？

损耗可能导致光信号在传输过程中出现误码，影响传输质量。同时，损耗将影响光信号能够传输的距离。

原因

首先，让我们回到历史上的一天，那时候，人们还在探索光纤通信的道路上孜孜不倦地前进……

在1961－1970年，人们主要研究利用大气传输光信号，实践证明，由于受到气候环境的严重影响，无法实现正常的通信。在人们考虑的其它传输介质中，用石英玻璃材料制成的光导纤维即光纤来传输光信号成为研究的重点。但是当时普通石英玻璃材料的损耗非常高（1000 dB/km），传输距离很有限。1966年7月，英国标准电信研究所的英藉华人高锟（K.C.Kao）博士和霍克哈姆（G.A.HocKham）博士根据介质波导理论指出：光纤的高损耗并不是其本身固有的，而是由材料中所含的杂质引起的。并预言如果降低材料中的杂质含量，可使得光纤的损耗降至20 dB/km，甚至更小。1970年，美国康宁（Corning）玻璃有限公司成功地研制了损耗为20 dB/km的低损耗石英光纤，这使得光纤完全能胜任作为传输光波的传输媒介，也开辟了光纤通信的新纪元。

光纤损耗主要包括两个方面

光纤的传输损耗大致可以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。

固有损耗是光纤本身的特征引起的，可以通过光纤制造工艺的不断提升而得到改善。固有损耗主要包括吸收损耗和散射损耗。

吸收损耗是由于光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，它们把光能以热能的形式消耗于光纤中，是光纤损耗中重要的损耗。

散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。光纤内部的散射，会减小传输的功率，产生损耗。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，它的尺寸比光波波长要小。光在传输时遇到这些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，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。

附加损耗又分为微弯损耗、弯曲损耗光纤线路中的接续损耗和光器件之间的耦合损耗等几种。

附加损耗是在光纤的铺设过程中人为造成的。在实际应用中，不可避免地要将光纤一根一根连接起来，光纤链接会产生损耗。光纤微小弯曲、挤压、拉伸受力也会引起损耗，这些都是光纤使用条件引起的损耗。究其主要原因是在这些条件下，光纤纤芯中的传输模式发生了变化。附加损耗是可以尽量减小甚至避免的。

光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，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，从而产生损耗。当弯曲半径大于5 cm~10 cm时，由弯曲造成的损耗可以忽略。

光纤的低损窗口

光纤的衰减谱如下图一所示。窗口I的平均损耗值为2dB/km，窗口II的平均损耗值为0.3dB/km~0.4dB/km，窗口III的平均损耗值为0.19dB/km~0.25dB/km，窗口V的1380nm处存在OH吸收峰。

图一

5个窗口的光信号的标记、波长范围、使用光纤类型和应用场合，如下表所示：

常用光纤的线路损耗

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