造成光纖衰減的多種原因分析

        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(duì)接等。 （10GBASE-S和10GBASE-L的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中分別規(guī)定萬(wàn)兆多模光纖鏈路的衰減不得大于2.6dB，單模光纖鏈路的衰減不得大于6.2dB。 進(jìn)入布線英雄三國(guó)志，答題搶豪禮 http://www.cnw.com.cn/zhuanti/sanguo/ ）

        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(shí)部分光纖內(nèi)的光會(huì)因散射而損失掉，造成損耗。 

        擠壓：光纖受到擠壓時(shí)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(duì)接：光纖對(duì)接時(shí)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(duì)接心徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。 

        當(dāng)光從光纖的一端射入，從另一端射出時(shí)，光的強(qiáng)度會(huì)減弱。這意味著光信號(hào)通過(guò)光纖傳播后，光能量衰減了一部分。這說(shuō)明光纖中有某些物質(zhì)或因某種原因，阻擋光信號(hào)通過(guò)。這就是光纖的傳輸損耗。只有降低光纖損耗，才能使光信號(hào)暢通無(wú)阻。 

        2、光纖損耗的分類(lèi) 

        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(xì)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(guò)程中人為造成的。在實(shí)際應(yīng)用中，不可避免地要將光纖一根接一根地接起來(lái)，光纖連接會(huì)產(chǎn)生損耗。光纖微小彎曲、擠壓、拉伸受力也會(huì)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(zhǎng)下引起的固有損耗也不同。搞清楚產(chǎn)生損耗的機(jī)理，定量地分析各種因素引起的損耗的大小，對(duì)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(dòng)、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(yáng)旋轉(zhuǎn)一樣，每一個(gè)電子都具有一定的能量，處在某一軌道上，或者說(shuō)每一軌道都有一個(gè)確定的能級(jí)。距原子核近的軌道能級(jí)較低，距原子核越遠(yuǎn)的軌道能級(jí)越高。軌道之間的這種能級(jí)差別的大小就叫能級(jí)差。當(dāng)電子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)，就要吸收相應(yīng)級(jí)別的能級(jí)差的能量。 

        在光纖中，當(dāng)某一能級(jí)的電子受到與該能級(jí)差相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的光照射時(shí)，則位于低能級(jí)軌道上的電子將躍遷到能級(jí)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(gè)叫紫外吸收，另外一個(gè)叫紅外吸收。目前光纖通信一般僅工作在0.8～1.6μm波長(zhǎng)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(zhǎng)左右。隨著波長(zhǎng)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(zhǎng)。不過(guò)，紫外吸收對(duì)在紅外區(qū)工作的石英光纖的影響不大。例如，在0.6μm波長(zhǎng)的可見(jiàn)光區(qū)，紫外吸收可達(dá)1dB/km，在0.8μm波長(zhǎng)時(shí)降到0.2～0.3dB/km，而在1.2μm波長(zhǎng)時(shí)，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(dòng)產(chǎn)生的。在2μm以上波段有幾個(gè)振動(dòng)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(zhǎng)的理論極限損耗為ldB/km。 

        通過(guò)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(guò)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(duì)制造光纖的材料進(jìn)行格的化學(xué)提純，就可以大大降低損耗。 

        石英光纖中的另一個(gè)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(gè)吸收峰，它們分別是0.95μm、1.24μm和1.38μm，其中1.38μm波長(zhǎng)的吸收損耗最為嚴(yán)重，對(duì)光纖的影響也最大。在1.38μm波長(zhǎng)，含量?jī)H占0.0001的氫氧根產(chǎn)生的吸收峰損耗就高達(dá)33dB/km。 

        這些氫氧根是從哪里來(lái)的呢?氫氧根的來(lái)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(guò)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(guò)程中因化學(xué)反應(yīng)而生成了水;四是外界空氣的進(jìn)入帶來(lái)了水蒸氣。然而，現(xiàn)在的制造工藝已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)高的水平，氫氧根的含量已經(jīng)降到了足夠低的程度，它對(duì)光纖的影響可以忽略不計(jì)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(guò)夜空中探照燈發(fā)出粗大光柱。 

        那么，為什么我們會(huì)看見(jiàn)這些光柱呢?這是因?yàn)橛性S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(gè)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(lái)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(jìn)行振動(dòng)的，并能釋放出波長(zhǎng)與該振動(dòng)頻率相應(yīng)的光。粒子的振動(dòng)頻率由粒子的大小來(lái)決定。粒子越大，振動(dòng)頻率越低，釋放出的光的波長(zhǎng)越長(zhǎng);粒子越小，振動(dòng)頻率越高，釋放出的光的波長(zhǎng)越短。這種振動(dòng)頻率稱(chēng)做粒子的固有振動(dòng)頻率。但是這種振動(dòng)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(zhǎng)的光照射，而照射光的頻率與該粒子固有振動(dòng)頻率相同，就會(huì)引起共振。粒子內(nèi)的電子便以該振動(dòng)頻率開(kāi)始振動(dòng)，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(duì)于在外部觀察的人來(lái)說(shuō)，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(chēng)為瑞利散射損耗。鑒于目前的光纖制造工藝水平，可以說(shuō)瑞利散射損耗是無(wú)法避免的。但是，由于瑞利散射損耗的大小與光波長(zhǎng)的4次方成反比，所以光纖工作在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)時(shí)，瑞利散射損耗的影響可以大大減小。 

        5、先天不足，愛(ài)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(xì)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(shí)，就會(huì)有一部分光散射到各個(gè)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(lái)，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?yàn)槿绻覀冊(cè)诎l(fā)送端對(duì)接收到的這部分光的強(qiáng)弱進(jìn)行分析，可以檢查出這根光纖的斷點(diǎn)、缺陷和損耗大小。這樣，通過(guò)人的聰明才智，就把壞事變成了好事. 

        光纖的損耗近年來(lái)，光纖通信在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)光纖通信，一個(gè)重要的問(wèn)題是盡可能地降低光纖的損耗。所謂損耗是指光纖每單位長(zhǎng)度上的衰減，單位為dB/km。光纖損耗的高低直接影響傳輸距離或中繼站間隔距離的遠(yuǎn)近，因此，了解并降低光纖的損耗對(duì)光纖通信有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。 

        一、 光纖的吸收損耗

這是由于光纖材料和雜質(zhì)對(duì)光能的吸收而引起的，它們把光能以熱能的形式消耗于光纖中，是光纖損耗中重要的損耗，吸收損耗包括以下幾種： 

        1.物質(zhì)本征吸收損耗 這是由于物質(zhì)固有的吸收引起的損耗。它有兩個(gè)頻帶，一個(gè)在近紅外的8～12μm區(qū)域里，這個(gè)波段的本征吸收是由于振動(dòng)。另一個(gè)物質(zhì)固有吸收帶在紫外波段，吸收很強(qiáng)時(shí)，它的尾巴會(huì)拖到0.7～1.1μm波段里去。 

        2.摻雜劑和雜質(zhì)離子引起的吸收損耗 光纖材料中含有躍遷金屬如鐵、銅、鉻等，它們有各自的吸收峰和吸收帶并隨它們價(jià)態(tài)不同而不同。由躍遷金屬離子吸收引起的光纖損耗取決于它們的濃度。另外，OH-存在也產(chǎn)生吸收損耗，OH-的基本吸收極峰在2.7μm附近，吸收帶在0.5～1.0μm范圍。對(duì)于純石英光纖，雜質(zhì)引起的損耗影響可以不考慮。 

        3.原子缺陷吸收損耗 光纖材料由于受熱或強(qiáng)烈的輻射，它會(huì)受激而產(chǎn)生原子的缺陷，造成對(duì)光的吸收，產(chǎn)生損耗，但一般情況下這種影響很小。 

        二、光纖的散射損耗 

        光纖內(nèi)部的散射，會(huì)減小傳輸?shù)墓β剩a(chǎn)生損耗。散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纖材料內(nèi)部的密度和成份變化而引起的。 

        光纖材料在加熱過(guò)程中，由于熱騷動(dòng)，使原子得到的壓縮性不均勻，使物質(zhì)的密度不均勻，進(jìn)而使折射率不均勻。這種不均勻在冷卻過(guò)程中被固定下來(lái)，它的尺寸比光波波長(zhǎng)要小。光在傳輸時(shí)遇到這些比光波波長(zhǎng)小，帶有隨機(jī)起伏的不均勻物質(zhì)時(shí)，改變了傳輸方向，產(chǎn)生散射，引起損耗。另外，光纖中含有的氧化物濃度不均勻以及摻雜不均勻也會(huì)引起散射，產(chǎn)生損耗。 

        三、波導(dǎo)散射損耗 

        這是由于交界面隨機(jī)的畸變或粗糙所產(chǎn)生的散射，實(shí)際上它是由表面畸變或粗糙所引起的模式轉(zhuǎn)換或模式耦合。一種模式由于交界面的起伏，會(huì)產(chǎn)生其他傳輸模式和輻射模式。由于在光纖中傳輸?shù)母鞣N模式衰減不同，在長(zhǎng)距離的模式變換過(guò)程中，衰減小的模式變成衰減大的模式，連續(xù)的變換和反變換后，雖然各模式的損失會(huì)平衡起來(lái)，但模式總體產(chǎn)生額外的損耗，即由于模式的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了附加損耗，這種附加的損耗就是波導(dǎo)散射損耗。要降低這種損耗，就要提高光纖制造工藝。對(duì)于拉得好或質(zhì)量高的光纖，基本上可以忽略這種損耗。 

        四、光纖彎曲產(chǎn)生的輻射損耗 

        光纖是柔軟的，可以彎曲，可是彎曲到一定程度后，光纖雖然可以導(dǎo)光，但會(huì)使光的傳輸途徑改變。由傳輸模轉(zhuǎn)換為輻射模，使一部分光能滲透到包層中或穿過(guò)包層成為輻射模向外泄漏損失掉，從而產(chǎn)生損耗。當(dāng)彎曲半徑大于5～10cm時(shí)，由彎曲造成的損耗可以忽略。