光纖鏈路的損耗

  光纖通信中，光纖鏈路的損耗是一個(gè)非常重要的控制對象。而光纖鏈路中，引起損耗的原因則是非常復雜，快速的準確的判斷損耗的原因并能準確的消除一些損耗就比較重要。但是現實(shí)中，或許對光纖鏈路的損耗的不重視，或者因為對光纖鏈路損耗的機理和判斷方法缺乏了解，或者診斷的代價(jià)是如此之大等等，都可能會(huì )直接忽視光纖鏈路的損耗。

  深入了解光纖鏈路的損耗，對研發(fā)，生產(chǎn)和應用等來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是非常必要的。

  光纖鏈路的損耗有來(lái)自物理原因，比如溫度變化。有來(lái)自化學(xué)原因，比如外部環(huán)境中的物質(zhì)和光纖纖芯發(fā)生化學(xué)變化導致了折射率的變化。后者在數據通信的環(huán)境中，應該是可以忽略的，比如光纖跳線(xiàn)的接頭對接在高濕環(huán)境中，其對接的纖芯表面就可能由于外部環(huán)境導致折射率的波動(dòng)，但是折射率的變化證明是非常小的，該變化對于光纖鏈路的損耗的影響幾乎是測試系統無(wú)法準確測定的，而可以被忽略的。

  光纖鏈路的損耗可以大致分為如下幾類(lèi)。

  光纖內部的固有損耗

  這種光纖內部的固有損耗光纖本身固有的，一般情況下是無(wú)法改變的。了解這些只是為了判斷整個(gè)鏈路的基礎的最小的損耗。大致可分為吸收損耗和散射損耗兩大類(lèi)，還包括一些由于光纖制造本身帶來(lái)的損耗。

  吸收損耗包括本征吸收和雜質(zhì)吸收。本征吸收主要是紫外吸收和紅外吸收。光纖數據通信的工作波段都在近紅外波段，包括多模和單模通信。

  但是紫外吸收帶尾部也延伸并覆蓋了整個(gè)光纖數據通信的工作波段。在多模工作波段850nm處影響較大。紅外吸收主要影響在單模的工作波段。越過(guò)1650nm，其紅外吸收急劇升高。

  雜質(zhì)吸收包括光纖中的材料的不純凈導致，這里不包括光纖的摻雜物，主要是過(guò)度金屬離子和OH根離子。制造工藝本身也會(huì )帶來(lái)可能的損耗，比如SAS導致的損耗。

  散射損耗由于材料濃度和密度的不均勻引起的光的散射造成的損耗。有瑞利散射，拉曼散射和布里淵散射等幾類(lèi)不同的散射機理。光纖中一般只是考慮瑞利散射的影響。

  幾種光纖內部的固有損耗大致如下圖所示。

  光纖內部的固有損耗從光纖的規格參數可以獲得大致的參考值。這部分對于應用來(lái)說(shuō)是無(wú)法改變的。

  光纖的彎曲損耗

  光纖的彎曲損耗分為我們熟知的宏彎損耗和微彎損耗兩大類(lèi)，都是由于光纖的彎曲導致。在實(shí)際應用中，這兩類(lèi)損耗很多情況下同時(shí)存在，無(wú)法區分。宏彎損耗可以認為是由于可以觀(guān)察到的較大的彎曲導致的損耗，而微彎損耗則不易觀(guān)察，主要是與光纖接觸的表面由于物理的不規則導致了光纖擾動(dòng)為微小的半徑彎曲，如下圖所示，由此會(huì )導致了微彎損耗。

  導致宏彎損耗的因素很多，主要包括人為原因，機械原因，以及環(huán)境原因。人為原因常見(jiàn)的是在應用中的低于設計要求規格的小彎曲，這個(gè)容易避免。不容易避免的是機械原因和環(huán)境原因。由于光纖余長(cháng)的存在，光纖在光纜內部的彎曲是必要的，可以提供安全的機械性能。但是由于在外部環(huán)境的溫度變化下，光纜的回縮或者收縮導致光纖在光纜內部的彎曲加劇，會(huì )造成明顯的宏彎損耗。布線(xiàn)中受到外物的壓力，也可能造成光纖彎曲帶來(lái)的宏彎損耗。但是這里需要提到的是宏彎損耗是波長(cháng)依賴(lài)的。應用中的光纖彎曲一般都不會(huì )造成物理的失效，所以需要權衡工作波長(cháng)處的宏彎損耗是否有影響。宏彎損耗是無(wú)法避免的，只是要判斷宏彎損耗的大小是否在系統中可以接收。

  導致微彎損耗的因素也很多，但是主要是機械原因。比如受到擠壓的情況下，如果光纖兩次涂層設計不是很完善，壓力容易傳導到光纖表面造成微小的彎曲。外界溫度的變化造成的光纜收縮也可能迫使光纖在光纜內部受到擠壓造成微彎。接頭的組裝工藝也可能帶來(lái)微彎損耗，比如插芯中的光纖為125um，其外部是膠水和插芯內孔，膠水的固化以及其溫度的影響也可能有細微的影響。

  光纖的彎曲損耗一方面需要良好的光纖、光纜和連接器設計，另一方面也需要在應用中加以注意。比如布線(xiàn)的外部條件要減少外部的擠壓，減少過(guò)度的捆綁。同時(shí)要評估光纜所處的環(huán)境溫度變化，光纜本身是否能滿(mǎn)足該溫度的操作條件。

  區分損耗是宏彎損耗還是微彎損耗是有意義的，因為宏彎損耗還是微彎損耗的觸發(fā)原因不一樣，可以采用相應的方法改善宏彎損耗還是微彎損耗。對宏彎損耗還是微彎損耗的判斷需要對多個(gè)波長(cháng)的損耗進(jìn)行測量后進(jìn)行分析。下圖是一個(gè)公開(kāi)文獻中的模擬結果?？梢院芎玫母鶕煌牟ㄩL(cháng)測試得到的損耗，來(lái)判斷彎曲損耗的類(lèi)型。

  但是實(shí)際情況下，兩者損耗往往是同時(shí)存在的。需要對應用場(chǎng)景和測試數據進(jìn)行精確分析才能得到較為正確的判斷。

  連接損耗

  連接損耗包括光纖鏈路中的熔接損耗、接頭對接損耗。接頭對接損耗接頭對接質(zhì)量，還包括對接的光纖之間的兼容性。

  接頭的損耗包括非對準損耗、端面質(zhì)量、端面雜質(zhì)、光纖模場(chǎng)直徑不匹配等因素導致的損耗，是比較大的損耗來(lái)源。降低損耗可以減少接頭對接而采用熔接方式，但是降低了布線(xiàn)的靈活性和簡(jiǎn)易性。非對準損耗容易理解，就像我們經(jīng)常劃分的光纖纖芯同心度，徑向、軸向和角向偏移等，主要是對接接頭的插芯精度問(wèn)題，最好的自然是如同一根完整的光纖一樣。光纖模場(chǎng)直徑不匹配主要是由于兩者不同模場(chǎng)直徑的光纖導致，但是同一種光纖的模場(chǎng)直徑也是有波動(dòng)的，一般情況下，兩者不同的光纖，其模場(chǎng)直徑的公差范圍也是有交際的。端面質(zhì)量主要是光纖端面是否有劃痕等。對于現場(chǎng)來(lái)說(shuō)，則更多的關(guān)注端面雜質(zhì)，這也是在使用光纖連接中不斷強調的“清潔、清潔、清潔”問(wèn)題。

  接頭的損耗從不同的波長(cháng)損耗看，和彎曲損耗不太一樣，一般不同的波長(cháng)的損耗會(huì )同步增加，短波長(cháng)的損耗依舊比長(cháng)波長(cháng)的損耗高。比如1310nm和1550nm的損耗都有增加，但是1310nm的損耗還是比1550nm處的損耗高。這也是能判斷接頭損耗還是彎曲損耗的依據之一。但是光的損耗非常復雜，比如不同的空隙，其損耗會(huì )有振蕩變化現象。了解這些不同的損耗表現現象，會(huì )有力的支持對損耗來(lái)源的判斷，進(jìn)一步有效的去解決損耗問(wèn)題。

  這里也只是列出比較典型的幾類(lèi)損耗原因， 光纖鏈路的損耗或許是由于無(wú)數的原因同時(shí)其作用而造成的。有時(shí)候確實(shí)非常難以判斷其觸發(fā)的原因，一方面是測試本身的問(wèn)題，測試本身帶來(lái)了損耗誤差以及損耗的不準確，會(huì )嚴重誤導了對損耗的分析。另一方面不同的因素造成的損耗疊加在一起，這種情況下，損耗如果并在容忍的界限以?xún)炔惶菀走M(jìn)行區分。但是如果損耗明顯較大，基于對不同情況其損耗的不同表現，往往還是可以對損耗的原因進(jìn)行比較準確的判斷。進(jìn)一步借助于測試設備定位的損耗發(fā)生的位置，就會(huì )較為容易的進(jìn)行問(wèn)題的解決。