Attenuation Loss in Optical Fiber-A Numerical Problem

智慧安控專區，展覽報名聯絡人：0935-970-603 施正偉

AKD 寰楚專業級全系列監控設備

來源:CPS中安网

一、造成光纖衰減的多種原因

造成光纖衰減的主要因素有：本徵，彎曲，擠壓，雜質，不均勻和對接等。

本徵：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的光，會因散射而損失掉，造成損耗。

擠壓：光纖受到擠壓時產生微小的彎曲而造成的損耗。

雜質：光纖內雜質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：光纖對接時產生的損耗，如：不同軸(單模光纖同軸度要求小於0.8μm)，端面與軸心不垂直，端面不平，對接心徑不匹配和熔接品質等。

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後，光能量衰減了一部分。這說明光纖中有某些物質或因某種原因，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。

二、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，以及光纖製成後由使用條件造成的附加損耗。

Optical Fiber Attenuation – Fosco Connect

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，和因光纖結構不完善引起的損耗，附加損耗則包括微彎損耗、彎曲損耗和接續損耗。

其中，附加損耗是在光纖的鋪設過程中人為造成的。在實際應用中，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。

Losses in optical fiber

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。搞清楚產生損耗的機理，定量地分析各種因素引起的損耗的大小，對於研制低損耗光纖合理使用光纖有著極其重要的意義。

Fiber optics glossary dictionary definition | fiber optics ...

1、材料的吸收損耗

製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後，產生振動、發熱，而將能量散失掉，這樣就產生了吸收損耗。在光纖中，當某一能級的電子受到與該能級差，相對應的波長的光照射時，則位於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，就產生了光的吸收損耗。

2、散射損耗

在黑夜裡，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出粗大光柱。

那麼，為什麼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於大氣之中，光照射在這些顆粒上，產生了散射，就射向了四面八方。這個現象是由瑞利最先發現的，所以人們把這種散射命名為「瑞利散射」。

散射是怎樣產生的呢？原來組成物質的分子、原子、電子等微小粒子，是以某些固有頻率進行振動的，並能釋放出波長與該振動頻率相應的光。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。但是這種振動並不是自行產生，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。

粒子內的電子便以該振動頻率開始振動，結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，對於在外部觀察的人來說，看到的好像是光撞到粒子以後，向四面八方飛散出去了。

光纖內也有瑞利散射，由此而產生的光損耗，就稱為瑞利散射損耗。鑒於目前的光纖製造技術水準，可以說瑞利散射損耗是無法避免的。但是，由於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時，瑞利散射損耗的影響可以大大減小。

3、先天不足，愛莫能助

光纖結構不完善，如由光纖中有氣泡、雜質，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，那就是要改善光纖製造的工藝。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，這種現象也可以為我們所利用，因為如果我們在發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。

光纖的損耗近年來，光纖通信在許多領域得到了廣泛的應用。實現光纖通信，一個重要的問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近，因此，瞭解並降低光纖的損耗對光纖通信有著重大的現實意義。

光纖損耗知識全面普及，直接影響信號傳輸距離- 每日頭條

4、光纖的散射損耗

光纖內部的散射，會減小傳輸的功率，產生損耗。散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纖材料內部的密度和成份變化而引起的。

光纖材料在加熱過程中，由於熱騷動，使原子得到的壓縮性不均勻，使物質的密度不均勻，進而使折射率不均勻。這種不均勻在冷卻過程中被固定下來，它的尺寸比光波波長要小。光在傳輸時遇到這些比光波波長小，帶有隨機起伏的不均勻物質時，改變了傳輸方向，產生散射，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引起散射，產生損耗。

5、波導散射損耗

這是由於交界面隨機的畸變或粗糙所產生的散射，實際上它是由表面畸變或粗糙所引起的模式轉換或模式耦合。一種模式由於交介面的起伏，會產生其他傳輸模式和輻射模式。

由於在光纖中傳輸的各種模式衰減不同，在長距離的模式變換過程中，衰減小的模式變成衰減大的模式，連續的變換和反變換後，雖然各模式的損失會平衡起來，但模式總體產生額外的損耗，即由於模式的轉換產生了附加損耗，這種附加的損耗就是波導散射損耗。

要降低這種損耗，就要提高光纖製造工藝。對於拉得好或質量高的光纖，基本上可以忽略這種損耗。