光纤的损耗
---- 光波在光纤中传输，随着距离的增加光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗，该损耗直接关系到光纤通信系统传输距离的长短，是光纤最重要的传输特性之一。自光纤问世以来，人们在降低光纤损耗方面做了大量的工作，1.31μm 光纤的损耗值在0．5dB/km以下，而1.55μm的损耗为0.2dB/km以下，这个数量级接近了光纤损耗的理论极限。
---- 光纤的损耗如图2-16所示
图2-16 光纤的损耗
---- 形成光纤损耗的原因很多，其损耗机理复杂，计算也比较复杂 (有些是不能计算的)。降低损耗主要依赖于工艺的提高相对材料的研究等。光纤损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗，还有来自光纤结构的不完善。
2．4．1 光纤的损耗系数
---- 光纤的损耗系数尽管引起光纤损耗的原因有多种，但在定义其损耗系数时，只考虑输入和输出光纤的光功率之比。
---- 若用 P i表示输入光纤的功率， P o 表示输出光功率，则在传输线中的损耗可定义为
(2-75)
---- 若该损耗在长为 L(km)的传输线上传输，且损耗均匀，则单位长度传输线
的损耗即损耗系数为
(2-76)
2．4．2 吸收损耗
---- 物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造成光功率的损失。吸收损耗有三个原因，一是本征吸收，二是杂质吸收，三是原子缺陷吸收。光纤材料的固有吸收叫做本征吸收，它与电子及分子的谐振有关。对于石英(SiO2)材料，固
有吸收区在红外区域和紫外区域，其中，红外区的中心波长在 8μm～12μm 范围内，对光纤通信波段影响不大。对于短波长不引起损耗，对于长波长光纤引起的损耗小于1dB/km。紫外区中心波长在0.16μm 附近，尾部拖到lμm左右，已延伸到光纤通信波段(即0.8μm～1.7μm的波段)。在短波长范围内，引起的光纤损耗小于1dB／km。在长波长范围内，引起的光纤损耗小 0.1dB／km 。
--- 由于一般光纤中含有铁、锚、镍、铜、锰、铬、钒、铂等过渡金属和水的氢氧根离子，这些杂质造成的附加吸收损耗称为杂质吸收。金属离子含量越多，造成的损耗就越大。降低光纤材料中过渡金属的含量可以使其影响减小到最小的程
度。为了使由这些杂质引起的损耗小于1dB/km，必须将金属的含量减小到
以下。这样高纯度石英材料的生长技术已经实现。目前，光纤中杂质吸收主要由于水的氢氧根离子的振动，基波振动在 2.73μm波长，二次谐波振动在1.39μm，三次谐波振动在0.95μm，它们的各次振动谐波和它们的组合波，将在0.6μm～2.73μm的范围内，产生若干个吸收。
---- 图2—17给出了某一多模光纤的损耗谱曲线，其上的三个吸收峰就是由于氢氧根离子造成的。为了使 1.39μm 波长处的损耗降低到 1dB／km以下，则氢氧根离子的含量应减小到以下。在制造光纤过程中用来形成折射率变化所需的 G e O 2 ， P 2 0 5 ， B 2 O 3 等掺杂剂也可能导致附加的吸收损耗。---- 原子缺陷吸收是由于加热过程或者由于强烈的辐射造成，玻璃材料会受激而产生原子的缺陷，引起吸收光能，造成损耗。对于普通玻璃，在3000rad的伽玛射线( )的照射下，可能引起损耗高达20000dB／km。但是有些材料受到影响比较小，例如掺锗的石英玻璃，对于4300rad的辐射，仅在波长0.82μm 引起损耗16dB／km。宇宙射线也会对光纤产生长期影响，但影响很小。
图2—17 典型光纤的损耗谱
2．4．3 散射损耗
---- 由于光纤材料密度的微观变化以及各成分浓度不均匀，使得光纤中出现折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部。由此引起的损耗称为本征散射损耗。本征散射可以认为是光纤损耗的基
本限度，又称瑞利(Rayleigh)散射。它引起的损耗与, 成正比。由图2—15
可见，瑞利散射损耗随波长的增加而急剧减小，所以在短波长工作时，瑞利散射影响比较大。
--- 物质在强大的电场作用下，会呈现非线性，即出现新的频率或输入的频率得到改变。这种由非线性激发的散射有两种即受激喇曼(Raman)和受激布里渊(Brillouin)散射。这两种散射的主要区别在于喇曼散射的剩余能量转变为分子振动，而布里渊散射转变为声子。两种散射使得入射光能量降低，并在光纤中形成一种损耗机制，在功率门限制以下，对传输不产生影响，在很高功率下，即入射光功率超过一定闭值后，两种散射的散射光强度都随入射光功率成指数增加，
可以导致较大的光损耗。通过适当选择光纤直径和发射光功率，可以避免非线性散射损耗。在光纤通信系统设计中，可以利用喇曼散射和布里渊散射，尤其是喇曼散射，将特定波长的泵浦光能量转变到信号光中，实现信号光的放大作用。除了上述两种散射外，还有由于光纤不完善 (如弯曲) 将引起散射损耗。在模式理论中，这相当于光纤边界条件的变化使光功率由导模转入辐射模而引起，即部分模式能量被散射到包层中。由射线光学理解，在正常情况下，导模光线以大于临界角入射到纤芯包层界面上并发生全反射，但在光纤弯曲处，入射角将减小，甚至小于临界角，这样光线会退出纤芯外而造成损耗。
2．4．4 石英光纤的总损耗谱
---- 图2-18为石英光纤的总损耗谱，0.85μm ，1.31μm 和1.55μm 左右是光纤通信中常用的三个低损耗窗口。
图2-18 石英光纤的总损耗谱
