Page 16 - 网络电信2024年12月刊

光通信
级，当紫外光照射时，这些能级可以促使电子跃迁，进而吸收光能。
1.1.2 红外吸收
红外吸收主要发生在光纤传输光谱的红外端，即在较长波
长区域。这种损耗是由于光纤材料中存在的分子振动模式吸收
红外光能导致的。
红外吸收的成因主要包括：
1.材料本征吸收：在光纤的硅石英基质中，特别是石英
（SiO2）分子，存在多种分子振动模式，包括伸缩振动和弯曲
振动等。当光纤中的光波长与这些振动模式的固有频率相匹配
时，就会发生能量的吸收，导致光信号衰减。这类吸收在红外
区域尤为显著，尤其是在光波长接近或超过1600nm时。
2.杂质吸收：红外吸收还可能由于光纤材料中残留的水分
子或羟基（OH-）离子引起，即使是微量的杂质，也会导致显著
的吸收损耗。特别是OH-离子的吸收在1383nm附近有一个明显的峰。
3.光纤涂层：光纤的涂层也会对红外光产生吸收。如果这
些材料在红外波段有较高的吸收特性，都会增加整个光纤的损耗。
1.1.3 瑞利散射
瑞利散射是光纤固有损耗中最主要的组成部分，对光纤通
信系统的性能有着决定性影响。它是由光纤材料内部微观结构
的不均匀性引起的散射现象，这种不均匀性主要是由于材料的
微观组成和密度波动造成的。
1.瑞利散射的物理机制
瑞利散射发生的原理基于光波在介质中传播时遇到尺寸远
小于光波长的微观不均匀性。这些微观不均匀性可以是材料中
的分子结构不规则、组成成分的微小波动，或是材料密度的随
机变化。当光波通过这些微观结构时，部分光波会在各个方向
上被散射，从而造成能量的损失。四种光纤中主要的散射如公
式（1）所述[3]：
αdensity和αconcentration被认为是弹性散射，αdensity为瑞利散
射，主要涉及密度波动，而αconcentration为米式散射，主要涉及
浓度波动。αBrillouin和αRaman被认为是非弹性散射，αBrillouin为布
里渊散射（声学声子的非线性散射），αRaman为拉曼散射（涉及
晶格中的的光学声子，拉曼散射光具有偏振性，偏振与晶体的
结构对称性有关）。
当光在不均匀介质中传播时,一部分光线不能直线传播，向
四面八方散射开来，形成光的散射现象。不均匀是指微观结构
的不均匀。光纤散射分为弹性散射和非弹性散射两种。弹性散
射指光子的能量和动量都不变，只改变传播方向，形成通道内
的光散射。非弹性散射指在散射过程中光子的能量或动量发生
变化，如波长改变、能量损失、偏振转换等。
在散射光中，绝大部分光都是瑞利散射，米式散射对于波
长的依赖性较弱，拉曼散射和布里渊散射都非常弱。当散射微
粒的直径远小于入射光波长时，一般小于 ，发生瑞利散射，
强度与 成反比。当微粒尺寸增大到与波长相当时，发生米氏
散射，强度与 成反比，且随着微粒增大，散射强度变弱。因
此，对于光纤材料，需重点解决瑞利散射。
2.影响瑞利散射的因素
（1）材料的组成：硅石英基光纤的主要材料是二氧化硅
（SiO2），如材料内部含有微小杂质，会影响光纤的均匀性和
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光波的散射程度。
（2）制造过程：光纤的抽拉过程中温度控制、气氛控制等
条件的微小差异都可能导致材料内部结构的不均匀性和纯度，
增加瑞利散射的程度。
（3）几何尺寸：光纤的直径、形状等几何特性也会影响
瑞利散射。例如，较细的光纤会增加散射损耗。其一，模式耦
合：光纤中的光传输可以由多种模式组成，其中包括主模式和
多种次级模式。当光纤直径较细时，主模式和次级模式之间的
耦合增加。这些次级模式可能会与材料中的微小不均匀性发生
耦合，并导致更多的光散射。其二，散射区域增加：较细的光
纤相对于光的波长来说，表面积更大，这意味着更多的光与光
纤材料中的微小不均匀性相互作用，从而增加了散射。散射的
强度与表面积有关，因此较细的光纤会产生更多的散射。
（4）外部环境：光纤在使用过程中的机械应力和环境变化
（如温度波动）也会影响其内部结构的均匀性，从而影响瑞利散射。
1.2 外在损耗
在光纤通信中，除了由材料本身特性所导致的固有损耗
外，光纤还面临着一系列外在损耗因素，这些因素同样对光纤
的传输效率和系统性能具有重要影响。外在损耗主要来源于光
纤与外部环境的交互作用，包括机械应力、化学污染、温度变
化以及制造和安装过程中的不完善等。
外在损耗主要包括以下几种类型：
1.OH和TM元素吸收：水分（OH离子）和过渡金属（TM）杂
质的存在可以引起特定波长的吸收，显著影响光纤的传输特性。
2.波导污染：制造过程中的尘埃、化学物质残留或其他污
染物质可能沉积在光纤芯或包层上，影响光波的传播。
3.弯曲损耗：光纤在安装或使用过程中的不当弯曲会导致
光的泄漏，这包括宏弯曲损耗和微弯曲损耗，前者指光纤的大
角度弯折，后者涉及到光纤表面的微小缺陷或不规则性。
2、降低损耗措施
降低损耗措施主要从拉丝生产工艺端去优化改善，主要包
括丝径调控及退火工艺优化，旨在调控光纤的降温速率及尺寸
均匀性。单模光纤中的衰减主要是瑞利散射分量，它来源于玻
璃假想温度驱动的密度波动，以及芯层和包层中掺杂剂的浓度
波动[4][5][6]。瑞利散射系数R可表示为公式（2）[4]:
公式（2）中，Rd表示密度波动时的瑞利散射，Rc表示掺杂
剂浓度波动时的瑞利散射。
公式（3）中λ为波长，n为折射率，p为光弹性系数，βc为
等温可压缩性，KB为玻尔兹曼常数，Tf为有效温度。影响散射对
密度波动的唯一物理显著变量就是有效温度。
拉丝生产端的优化措施：
1. 丝径调控（图2a）：通过控制光纤的直径和一致性，减
少由于微观的不均匀性问题，从而降低瑞利散射。均匀的光纤
直径还有助于减少光纤在弯曲时的应力集中，进一步降低弯曲损耗。
2. 退火工艺优化（图2b）：退火是一种通过控制加热和
冷却过程来改善材料微结构的技术。在光纤制造中，适当的退
火可以降低内部应力，减少由内部应力引起的光信号散射和损