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光纖衰減損耗引起的原因及解決辦法
什么是光纖衰減（光纖損耗）
光纖衰減（光纖損耗）指的是光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，隨著傳輸距離的增加，由于各種因素導(dǎo)致光的強(qiáng)度逐漸減弱的現(xiàn)象。衰減是光纖主要的傳輸特性之一。通常情況下光纖衰減和光纖損耗兩詞可替換使用。
衰減（損耗）系數(shù)
我們知道要完成通信的過(guò)程，除了要將光信號(hào)發(fā)射出去，光信號(hào)在接收端還要能夠被正常接收，準(zhǔn)確解調(diào)。光纖衰減會(huì)導(dǎo)致光信號(hào)在傳輸過(guò)程中逐漸損失能量，從而影響信號(hào)的質(zhì)量和距離。為了確保光信號(hào)有效地傳輸，需要盡可能降低光纖的損耗。咱們目標(biāo)是想要降低光纖損耗，那怎么樣才算低呢？
如何度量光纖衰減（損耗）呢？
光纖損耗特性可以通過(guò)損耗（衰減）系數(shù)來(lái)衡量，即光纖每單位長(zhǎng)度上的衰減，單位為dB/km。
α = 10*log(Pin / Pout) / L
其中L為光纖長(zhǎng)度通常以km為基本長(zhǎng)度單位，Pin和Pout分別為輸入和輸出光功率。
引起衰減（損耗）的原因及改善辦法
光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)候，因?yàn)樯⑸?、吸收、缺陷等因素產(chǎn)生能量損耗，引起衰減。
一、吸收損耗
吸收損耗是由光纖材料和雜質(zhì)對(duì)光能量的吸收引起的，把光能以熱能的形式消耗在光纖中，是光纖損耗中重要的損耗，吸收損耗包括以下幾種：
1、本征吸收損耗
本征吸收損耗是指光纖材料固有的一種損耗，是無(wú)法避免的，它決定了光纖的損耗極限。本征吸收是石英材料本身固有的吸收，包括紅外吸收和紫外吸收。
紫外吸收：在短波長(zhǎng)范圍，光纖材料的電子吸收入射光能量躍遷到高的能級(jí)，引起入射光的能量損耗。紫外吸收是由于電子躍遷引起的，它在700～1100nm波長(zhǎng)區(qū)對(duì)光纖通信有影響。
紅外吸收：在長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍，光波與光纖晶格相互作用，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動(dòng)加劇，從而引起的損耗。紅外吸收是由于分子震動(dòng)引起的，它在1500～1700nm波長(zhǎng)區(qū)對(duì)光纖通信有影響。
2、雜質(zhì)吸收損耗
雜質(zhì)吸收損耗是光纖材料中含有鐵、銅、鉻等雜質(zhì)離子，金屬離子含量越多，造成的損耗就越大，它們對(duì)短波長(zhǎng)的影響很大，對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)的影響較小。
使用高純度光纖材料，嚴(yán)格控制這些金屬離子的含量，可以使它們?cè)斐傻膿p耗迅速下降。
另外就是OH離子，OH離子對(duì)光纖的損耗影響較大。在950nm、1240nm、1390nm波長(zhǎng)附近有吸收損耗峰，以1390nm上的吸收最嚴(yán)重，也就是常聽(tīng)說(shuō)的“水峰”吸收。改進(jìn)制造工藝，如避免使用氫氧焰加熱(汽相軸向沉積法)可有效改善水峰吸收影響。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
原子缺陷吸收是光纖在制造過(guò)程中玻璃受到熱激勵(lì)或受強(qiáng)輻射時(shí)，產(chǎn)生原子缺陷而造成的損耗。
二、散射損耗
散射損耗是由于光纖材料密度不均勻或光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)缺陷等使光功率泄露出纖芯外所造成的損耗。本征散射是材料散射中最重要的散射，損耗功率與傳播模式的功率成線(xiàn)性關(guān)系。它是由于材料原子或分子以及材料結(jié)構(gòu)的不均勻性，使得材料的折射率產(chǎn)生微觀的不均勻性而引起傳輸光波的散射。這種散射是材料固有的，不能消除，是光纖損耗的最低極限，瑞利散射即屬于這一類(lèi)。
瑞利散射損耗與波長(zhǎng)四次方成反比，在長(zhǎng)波長(zhǎng)上工作時(shí)，光纖的損耗可大大減小。瑞利散射在600～1 600nm波段對(duì)光纖通信產(chǎn)生影響。雖然瑞利散射沒(méi)法消除，但長(zhǎng)波長(zhǎng)相對(duì)來(lái)說(shuō)散射損耗較小，所以長(zhǎng)距離傳輸通常選用1550nm附近的波長(zhǎng)。另一類(lèi)本征散射是摻雜不均勻引起的，在光纖制造中，為了改變光纖的折射率，需要摻雜某種氧化物，當(dāng)氧化物濃度不均勻或起伏時(shí)就會(huì)引起這種散射。這里值得注意的是，摻入光纖中的雖然也是雜質(zhì)，但是屬于人為主動(dòng)添加的，摻雜的作用是可以改變光纖的折射率以達(dá)到某種目的。所以雜質(zhì)這個(gè)因素在某個(gè)方面也不全是壞事。后續(xù)我們還會(huì)接觸到摻雜光纖用于光纖放大的，也是在光纖中摻雜了一些金屬離子。
除此上述散射外，還有非線(xiàn)性散射。
非線(xiàn)性散射有受激布里淵散射和受激拉曼散射。在強(qiáng)光功率密度作用下，入射光子與介質(zhì)分子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲子，當(dāng)光是被傳播的聲學(xué)聲子所散射時(shí)，稱(chēng)為布里淵散射；當(dāng)光是被分子振動(dòng)或光學(xué)聲子所散射時(shí)，稱(chēng)為拉曼散射。這兩種受激散射都有一個(gè)閾值功率，只有超過(guò)此值時(shí)才會(huì)發(fā)生。在通常的光通信系統(tǒng)中，輸入光纖的光功率一般較低，通常不產(chǎn)生非線(xiàn)性散射。但在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中，當(dāng)光纖中傳輸?shù)墓鈴?qiáng)大到一定程度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生受激拉曼散射、受激布里淵散射和四波混頻等非線(xiàn)性現(xiàn)象，這會(huì)使輸入光能量轉(zhuǎn)移到新的頻率分量上，從而產(chǎn)生非線(xiàn)性損耗。
三、輻射損耗
輻射損耗是由于纖芯包層界面上存在著微小結(jié)構(gòu)波動(dòng)、光纖內(nèi)部波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不均勻而引起的損耗。光纖結(jié)構(gòu)不規(guī)則時(shí)部份傳輸能量將輻射出纖芯外而變成輻射模，使損耗增加。這種損耗可以靠提高制造技術(shù)來(lái)降低。
四、彎曲損耗
彎曲損耗是光纖軸彎曲所引起的損耗。任何肉眼可見(jiàn)的光纖軸線(xiàn)對(duì)于直線(xiàn)的偏移稱(chēng)作彎曲或宏彎曲。光纖彎曲將引起光纖內(nèi)各模式間的耦合，當(dāng)傳播模的能量耦合入輻射?；蚵┬鼓r(shí)，就會(huì)產(chǎn)生彎曲損耗。這種損耗隨曲率半徑的減小按指數(shù)規(guī)律增大。另一類(lèi)損耗是光纖軸產(chǎn)生隨機(jī)的微米級(jí)的橫向位移狀態(tài)所成的，稱(chēng)作微彎損耗。產(chǎn)生微彎的原因是光纖在被覆、成纜、擠護(hù)套、安裝等過(guò)程中，光纖受到過(guò)大的不均勻側(cè)壓力或縱向應(yīng)力，或光纖制造后因涂覆層或外套的溫度膨脹系數(shù)與光纖的不一致等造成的。針對(duì)彎曲損耗，光纖線(xiàn)路可以采用低彎曲損耗的光纜，或者嚴(yán)格遵循光纜敷設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，合理控制光纜彎曲半徑，盡可能降低彎曲損耗。
五、其它損耗
光纖的使用中還會(huì)存在連接損耗、耦合損耗等。
選用光纖熔接或使用高質(zhì)量的光纖連接器可能效降低因光纖接續(xù)所產(chǎn)生的損耗。
光纖通信的三個(gè)低損耗“窗口”
下圖中藍(lán)色衰耗曲線(xiàn)描繪了光纖衰減系數(shù)與波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，該曲線(xiàn)也叫損耗譜曲線(xiàn)。
光纖通信常說(shuō)的三個(gè)低損耗“窗口”分別是：850nm波段、1310nm波段和1550nm波段。
850nm波段損耗較大，通常用于幾百米內(nèi)的通信傳輸使用。
1310nm波段損耗較小，通常用于中等距離，如：2km，10km，20km等。
1550nm波段損耗很小，長(zhǎng)距離大容量的光纖通信系統(tǒng)多工作在這一波段。
光纖損耗的另一種分類(lèi)方法
本征光纖損耗：
本征光纖損耗是指光纖材料固有的一種損耗，引起本征光纖損耗的因素主要有兩個(gè)：光的吸收和光的散射。
光的吸收是光纖傳輸中引起光損耗的主要原因，是由光纖材料和雜質(zhì)對(duì)光能的吸收引起的，因此，光的吸收損耗也被稱(chēng)為光纖材料吸收損耗。
光纖的散射損耗是指在光纖結(jié)構(gòu)中分子水準(zhǔn)上的不規(guī)則所造成的光的散射。
非本征光纖損耗：
非本征光纖損耗通常是由光纖的不正當(dāng)處理引起的，主要有兩種類(lèi)型：對(duì)接損耗和彎曲損耗。
在光纖通信網(wǎng)路中，光纖之間的互相連接是必然的。前面我們講過(guò)，光纖線(xiàn)路通常是由多段接續(xù)起來(lái)的，接續(xù)引起的光纖損耗無(wú)法避免，不過(guò)可以通過(guò)恰當(dāng)?shù)奶幚頊p小到最小。
如何估算傳輸距離
光通信傳輸時(shí)，怎樣估算光信號(hào)能在光纖中傳多遠(yuǎn)？
舉個(gè)例子：光源中心波長(zhǎng)為1550nm，發(fā)光功率是100mW，接收端探測(cè)器的接收靈敏度為-14dBm，問(wèn)這種發(fā)射和接收組合大概可以傳輸多遠(yuǎn)距離？
光信號(hào)波長(zhǎng)是1550nm的，那么肯定是單模傳輸，即使用的是單模光纖。
通過(guò)前面光纖ITU-T光纖標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)，我們了解到常規(guī)單模光纖在1550nm波長(zhǎng)的損耗約為0.25dB/km，估算時(shí)我們以此值作為參考。
注：光纜熔接、連接頭、彎曲等也會(huì)產(chǎn)生附加損耗，實(shí)際通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要將這些因素考量進(jìn)去。
100mW換算成dBm為單位就是20dBm，接收端可以接收-14dBm的光信號(hào)，那么允許的鏈路損耗即是20-（-14）=34dB。
注2：通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)需在滿(mǎn)足接收靈敏度前提下留一定的系統(tǒng)余量，以保證長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性，這里我們只是估算。
用34 / 0.25 = 136，可得理論******傳輸距離達(dá)136km。（僅作估算用）
注3：傳輸距離除了受衰減因素的影響，非零色散情況下高速長(zhǎng)距離傳輸還需考慮色散等其它影響因素。
