干貨文章：什么是光纖損耗？如何計(jì)算？

溪上雅士 2023-07-02 發(fā)布于甘肅

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在光纖安裝中，對(duì)光纖鏈路進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量和計(jì)算是驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)完整性和確保網(wǎng)絡(luò)性能非常重要的步驟，如果光纖有所損耗，就容易造成明顯的信號(hào)損失，從而影響光傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性。那么，光纖損耗都有哪些類型？光纖損耗又是如何計(jì)算的呢？一起來看看吧。

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制成后由使用條件造成的附加損耗。具體細(xì)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(jié)構(gòu)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(xù)損耗。

附加損耗

附加損耗是在光纖的鋪設(shè)過程中人為造成的。在實(shí)際應(yīng)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(huì)產(chǎn)生損耗。光纖微小彎曲、擠壓、拉伸受力也會(huì)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(fā)生了變化。附加損耗是可以盡量避免的。

附加損耗包括微彎損耗、彎曲損耗和接續(xù)損耗。

光纖的彎曲

光纖的彎曲有兩種形式：

●曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習(xí)慣稱為彎曲或宏彎；

●光纖軸線產(chǎn)生微米級(jí)的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱為微彎。

固有損耗

固有損耗中，吸收損耗和散射損耗是由光纖材料本身的特性決定的，在不同的工作波長(zhǎng)下引起的固有損耗也不同。搞清楚產(chǎn)生損耗的機(jī)理，定量地分析各種因素引起的損耗的大小，對(duì)于研制低損耗光纖合理使用光纖有著極其重要的意義。

吸收損耗

制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后，產(chǎn)生振動(dòng)、發(fā)熱，而將能量散失掉，這樣就產(chǎn)生了吸收損耗。我們知道，物質(zhì)是由原子、分子構(gòu)成的，而原子又由原子核和核外電子組成，電子以一定的軌道圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。這就像我們生活的地球以及金星、火星等行星都圍繞太陽旋轉(zhuǎn)一樣，每一個(gè)電子都具有一定的能量，處在某一軌道上，或者說每一軌道都有一個(gè)確定的能級(jí)。距原子核近的軌道能級(jí)較低，距原子核越遠(yuǎn)的軌道能級(jí)越高。軌道之間的這種能級(jí)差別的大小就叫能級(jí)差。當(dāng)電子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)，就要吸收相應(yīng)級(jí)別的能級(jí)差的能量。

在光纖中，當(dāng)某一能級(jí)的電子受到與該能級(jí)差相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的光照射時(shí)，則位于低能級(jí)軌道上的電子將躍遷到能級(jí)高的軌道上。這一電子吸收了光能，就產(chǎn)生了光的吸收損耗。

制造光纖的基本材料二氧化硅（SiO?）本身就吸收光，一個(gè)叫紫外吸收，另外一個(gè)叫紅外吸收。目前光纖通信一般僅工作在0.8～1.6μm波長(zhǎng)區(qū)，因此我們只討論這一工作區(qū)的損耗。

光纖材料會(huì)選擇性地吸收某些特定波長(zhǎng)的光波，這也會(huì)造成衰減或信號(hào)損失。吸收光波的機(jī)制類似顏色顯現(xiàn)的機(jī)制。

紫外吸收損耗

紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)時(shí)，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。

紅外吸收損耗

紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時(shí)，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。

石英玻璃中電子躍遷產(chǎn)生的吸收峰在紫外區(qū)的0.1～0.2μm波長(zhǎng)左右。隨著波長(zhǎng)增大，其吸收作用逐漸減小，但影響區(qū)域很寬，直到1μm以上的波長(zhǎng)。不過，紫外吸收對(duì)在紅外區(qū)工作的石英光纖的影響不大。例如，在0.6μm波長(zhǎng)的可見光區(qū)，紫外吸收可達(dá)1dB／km，在0.8μm波長(zhǎng)時(shí)降到0.2～0.3dB／km，而在1.2μm波長(zhǎng)時(shí)，大約只有0.ldB／km。

石英光纖的紅外吸收損耗是由紅外區(qū)材料的分子振動(dòng)產(chǎn)生的。在2μm以上波段有幾個(gè)振動(dòng)吸收峰。

雜質(zhì)吸收損耗

雜質(zhì)吸收損耗指光纖中的有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH－等對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗。

由于受光纖中各種摻雜元素的影響，石英光纖在2μm以上的波段不可能出現(xiàn)低損耗窗口，在1.85μm波長(zhǎng)的理論極限損耗為ldB／km。

通過研究，還發(fā)現(xiàn)石英玻璃中有一些'破壞分子'在搗亂，主要是一些有害過渡金屬雜質(zhì)，如銅、鐵、鉻、錳等。這些'壞蛋'在光照射下，貪婪地吸收光能，亂蹦亂跳，造成了光能的損失。清除'搗亂分子'，對(duì)制造光纖的材料進(jìn)行格的化學(xué)提純，就可以大大降低損耗。

石英光纖中的另一個(gè)吸收源是氫氧根（OHˉ）期的研究，人們發(fā)現(xiàn)氫氧根在光纖工作波段上有三個(gè)吸收峰，它們分別是0.95μm、1.24μm和1.38μm，其中1.38μm波長(zhǎng)的吸收損耗最為嚴(yán)重，對(duì)光纖的影響也最大。在1.38μm波長(zhǎng)，含量?jī)H占0.0001的氫氧根產(chǎn)生的吸收峰損耗就高達(dá)33dB/km。

這些氫氧根是從哪里來的呢？氫氧根的來源很多，一是制造光纖的材料中有水分和氫氧化合物，這些氫氧化合物在原料提純過程中不易被清除掉，最后仍以氫氧根的形式殘留在光纖中；二是制造光纖的氫氧物中含有少量的水分；三是光纖的制造過程中因化學(xué)反應(yīng)而生成了水；四是外界空氣的進(jìn)入帶來了水蒸氣。然而，現(xiàn)在的制造工藝已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)高的水平，氫氧根的含量已經(jīng)降到了足夠低的程度，它對(duì)光纖的影響可以忽略不計(jì)了。

原子缺陷吸收損耗

通常在光纖的制造過程中，光纖材料受到某種熱激勵(lì)或光輻射時(shí)將會(huì)發(fā)生某個(gè)共價(jià)鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時(shí)晶格很容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長(zhǎng)約為630nm左右。

散射損耗

在黑夜里，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(fā)出粗大光柱。

那么，為什么我們會(huì)看見這些光柱呢？這是因?yàn)橛性S多煙霧、灰塵等微小顆粒浮游于大氣之中，光照射在這些顆粒上，產(chǎn)生了散射，就射向了四面八方。這個(gè)現(xiàn)象是由瑞利最先發(fā)現(xiàn)的，所以人們把這種散射命名為'瑞利散射'。

因?yàn)楣饩€的全反射，光線可以傳輸于光纖核心。粗糙、不規(guī)則的表面，甚至在分子層次，也會(huì)使光線往隨機(jī)方向反射，稱這現(xiàn)象為漫反射或光散射。特征通常是多種不同的反射角。

散射是怎樣產(chǎn)生的呢？原來組成物質(zhì)的分子、原子、電子等微小粒子是以某些固有頻率進(jìn)行振動(dòng)的，并能釋放出波長(zhǎng)與該振動(dòng)頻率相應(yīng)的光。粒子的振動(dòng)頻率由粒子的大小來決定。粒子越大，振動(dòng)頻率越低，釋放出的光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)；粒子越小，振動(dòng)頻率越高，釋放出的光的波長(zhǎng)越短。這種振動(dòng)頻率稱做粒子的固有振動(dòng)頻率。但是這種振動(dòng)并不是自行產(chǎn)生，它需要一定的能量。一旦粒子受到具有一定波長(zhǎng)的光照射，而照射光的頻率與該粒子固有振動(dòng)頻率相同，就會(huì)引起共振。粒子內(nèi)的電子便以該振動(dòng)頻率開始振動(dòng)，結(jié)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(zhuǎn)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(duì)于在外部觀察的人來說，看到的好像是光撞到粒子以后，向四面八方飛散出去了。

光纖內(nèi)也有瑞利散射，由此而產(chǎn)生的光損耗就稱為瑞利散射損耗。鑒于目前的光纖制造工藝水平，可以說瑞利散射損耗是無法避免的。但是，由于瑞利散射損耗的大小與光波長(zhǎng)的4次方成反比，所以光纖工作在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)時(shí)，瑞利散射損耗的影響可以大大減小。

因光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的損耗

光纖結(jié)構(gòu)不完善，如由光纖中有氣泡、雜質(zhì)，或者粗細(xì)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(shí)，就會(huì)有一部分光散射到各個(gè)方向，造成損耗。這種損耗是可以想辦法克服的，那就是要改善光纖制造的工藝。

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(xiàn)象也可以為我們所利用，因?yàn)槿绻覀冊(cè)诎l(fā)送端對(duì)接收到的這部分光的強(qiáng)弱進(jìn)行分析，可以檢查出這根光纖的斷點(diǎn)、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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)光纖通信，一個(gè)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(zhǎng)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(yuǎn)近，因此，了解并降低光纖的損耗對(duì)光纖通信有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

光纖損耗的計(jì)算

電信工業(yè)聯(lián)盟（TIA）和電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）攜手制定了EIA/TIA標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了光纜、連接器的性能和傳輸要求，如今在光纖行業(yè)中被廣泛接受和使用。EIA/TIA標(biāo)準(zhǔn)明確了最大衰減是光纖損耗測(cè)量時(shí)最重要的參數(shù)之一。實(shí)際上，最大衰減是光纜的衰減系數(shù)，以dB/km為單位。下圖顯示了在EIA/TIA-568規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中不同類型光纜的最大衰減。

如何計(jì)算光纖損耗

若想檢測(cè)光纖鏈路是否能正常運(yùn)行，那么就需要計(jì)算光纖損耗、功率預(yù)算以及功率裕度，計(jì)算方式如下。

光纖損耗的計(jì)算公式

在光纖布線中，經(jīng)常需要在一條確定長(zhǎng)度的線路上計(jì)算最大損耗。光纖損耗計(jì)算公式：

總鏈路損耗（LL）=光纜衰減+連接器衰減+熔接衰減（如果還有其他組件（如衰減器），可將其衰減值疊加）

光纜衰減（dB）=最大光纖衰減系數(shù)（dB / km）×長(zhǎng)度（km）

連接器衰減（dB）=連接器對(duì)數(shù)×連接器損耗（dB）

熔接衰減（dB）=熔接個(gè)數(shù)×熔接損耗（dB）

如上述公式所示，總鏈路損耗是一段光纖內(nèi)最壞變量的最大總和。需要注意的是，以該種方式計(jì)算出的總鏈路損耗只是一種假設(shè)值，因?yàn)樗俣私M件損耗的可能值，也就是說光纖實(shí)際的損耗取決于各種因素，損耗值可能會(huì)更高或更低。

下面以實(shí)際案例為例演示如何計(jì)算光纖損耗。

兩棟建筑之間安裝了單模光纖，傳輸距離為10km，波長(zhǎng)為1310nm。同時(shí)，該光纖擁有2個(gè)ST連接器和1個(gè)熔接頭。

光纜衰減——根據(jù)上述的標(biāo)準(zhǔn)表格，波長(zhǎng)為1310nm的室外單模光纜的最大衰減值為0.5dB / km，因此光纜衰減值為0.5dB / km×10km=5dB。

連接器衰減——因?yàn)槭褂昧?個(gè)ST連接器，而每個(gè)ST連接器的最大損耗為0.75dB，因此連接器衰減為0.75dB×2=1.5dB。在實(shí)際計(jì)算中，連接器的插損可參考供應(yīng)商提供的規(guī)格值。

熔接衰減——在TIA/EIA標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范了，熔接的最大損耗為0.3dB，因此熔接衰減為0.3dBx1=0.3dB。

由此可得出，該光纖鏈路的總損耗為5dB+1.5dB+0.3dB=6.8dB。

功率預(yù)算的計(jì)算

上述提及的鏈路損耗值對(duì)整個(gè)鏈路的傳輸有何影響？這里就不得不得提到與之密切相關(guān)的另外一個(gè)參數(shù)——功率預(yù)算。該參數(shù)值主要用于對(duì)比計(jì)算出的鏈路損耗值，以確保正確安裝設(shè)備，只有當(dāng)鏈路損耗值在功率預(yù)算之內(nèi)時(shí)，鏈路才能正常運(yùn)行。功率預(yù)算（PB）是接收器的靈敏度（PR）與發(fā)射器耦合進(jìn)光纖的功率（PT）的差值，也就是說PB=PT-PR。假設(shè)發(fā)射器的平均光功率為-15dBm，接收器的靈敏度為-28dBm，則功率預(yù)算為-15dB-（-28dB）= 13dB。

功率裕度的計(jì)算

計(jì)算完鏈路損耗和功率預(yù)算后，就需要計(jì)算功率裕度（PM），它是指從功率預(yù)算中除去鏈路損耗之后的可用功率，即PM=PB-LL。

同樣以10km的室內(nèi)單模光纜為例，由上述計(jì)算所得，它的功率預(yù)算為13dB，鏈路損耗為6.8dB，因此功率裕度為13dB-6.8dB=6.2dB。該計(jì)算所得值大于零，表示鏈路還有足夠的傳輸功率。

注：文章部分素材來源弱電行業(yè)網(wǎng)，U學(xué)在線全文綜合整理編輯。溝通聯(lián)系/商務(wù)咨詢：19120664028（微信同號(hào)）

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