光纤传输损耗

定义与度量

光信号在光纤中传播时，光功率随传输距离逐渐减小，这种现象称为光纤传输损耗。工程上常用衰减率（衰减系数）衡量损耗大小，其定义为：入射光强为 $I_0$，经过 1000 m 传输后强度降为 $I_1$，则
$\text{衰减率}=-10\lg \frac{I_1}{I_0}(\mathrm{d}\mathrm{B}\mathrm{/}\mathrm{k}\mathrm{m})$
式中 $I_0$、$I_1$ 为光强（单位面积上的光功率，常用 $\mathrm{W}\mathrm{/}{\mathrm{m}}^2$ 或相对值），$\lg$ 为常用对数，衰减率单位为分贝每千米（$\mathrm{d}\mathrm{B}\mathrm{/}\mathrm{k}\mathrm{m}$）。该式表示每千米长度上光强按对数关系衰减的分贝数；若实际长度为 $L$（km），总损耗为衰减率乘以 $L$。

损耗的分类与机理

按产生原因，光纤传输损耗主要分为以下几类：

1. 本征损耗：光纤固有的损耗，包括瑞利散射和固有吸收等。
2. 吸收损耗：由光纤材料中的金属杂质（如铁、铜、铬、镍）的电子能级，以及进入光纤芯及包层的氢氧根离子的振动能级对光能的吸收引起；材料密度或折射率不均匀主要引起散射。
3. 散射损耗：因光纤拉制时粗细不均匀、介质密度起伏等引起。其中瑞利散射由介质密度起伏产生；布里渊散射由温度引起的动态密度起伏产生；拉曼散射由原子振动和旋转能级的吸收和再辐射产生。
4. 弯曲损耗：光纤在使用中发生挤压、弯曲时，部分光线的入射角小于全反射临界角，发生折射而逸出界面，导致损耗。当弯曲曲率半径相对于光纤直径很大时，局部近似直线，损耗可忽略；宏观弯曲半径较小会产生宏弯损耗；微弯损耗由局部微小扰动引起，二者须区分。
5. 对接损耗：光纤对接时因不同轴、端面与轴心不垂直、端面不平、对接心径不匹配和熔接质量差等引起。

波长选择与器件匹配

不同波长的光在光纤中传输损耗不同。为减小损耗，工作波长应尽量选择损耗小的波段。常用波源包括砷化镓系列（GaAs/AlGaAs）、磷化铟系列（InP/InGaAsP）、半导体激光器及发光二极管。光电探测器按接收波段选择：硅用于可见光及较短近红外，锗或InGaAs用于较长近红外；探测器不是这里的发光光源，因此被广泛用于光纤通信及光纤传感器中。

适用范围

上述定义与分类适用于描述石英玻璃光纤等常见光纤的传输损耗；衰减率公式以每千米光强衰减为基准，适用于均匀光纤的损耗估算。

一般长度 $L$（km）下，平均衰减系数为 $\alpha =(10\mathrm{/}L){\log }_{10}(P_{in}\mathrm{/}{P}_{out})$（dB/km），$P_{in},P_{out}$ 为同条件测得的光功率（W）；前式已明确限定L=1 km。