芯耀
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什么是光纤衰减（光纤损耗）
光纤衰减（光纤损耗）指的是光信号在光纤中传输时，随着传输距离的增加，由于各种因素导致光的强度逐渐减弱的现象。
衰减是光纤主要的传输特性之一。
通常情况下光纤衰减和光纤损耗两词可替换使用。
衰减（损耗）系数
我们知道要完成通信的过程，除了要将光信号发射出去，光信号在接收端还要能够被正常接收，准确解调。
光纤衰减会导致光信号在传输过程中逐渐损失能量，从而影响信号的质量和距离。为了确保光信号有效地传输，需要尽可能降低光纤的损耗。
咱们目标是想要降低光纤损耗，那怎么样才算低呢？
如何度量光纤衰减（损耗）呢？
光纤损耗特性可以通过损耗（衰减）系数来衡量，即光纤每单位长度上的衰减，单位为dB/km。
α = 10*log(Pin / Pout) / L
其中L为光纤长度通常以km为基本长度单位，Pin和Pout分别为输入和输出光功率。
引起衰减（损耗）的原因及改善办法
光信号在光纤中传输的时候，因为散射、吸收、缺陷等因素产生能量损耗，引起衰减。
一、吸收损耗
吸收损耗是由光纤材料和杂质对光能量的吸收引起的，把光能以热能的形式消耗在光纤中，是光纤损耗中重要的损耗，吸收损耗包括以下几种：
1、本征吸收损耗
本征吸收损耗是指光纤材料固有的一种损耗，是无法避免的，它决定了光纤的损耗极限。本征吸收是石英材料本身固有的吸收，包括红外吸收和紫外吸收。
紫外吸收：在短波长范围，光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，引起入射光的能量损耗。紫外吸收是由于电子跃迁引起的，它在700～1100nm波长区对光纤通信有影响。
红外吸收：在长波长范围，光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗。红外吸收是由于分子震动引起的，它在1500～1700nm波长区对光纤通信有影响。
2、杂质吸收损耗
杂质吸收损耗是光纤材料中含有铁、铜、铬等杂质离子，金属离子含量越多，造成的损耗就越大，它们对短波长的影响很大，对长波长的影响较小。
使用高纯度光纤材料，严格控制这些金属离子的含量，可以使它们造成的损耗迅速下降。
另外就是OH离子，OH离子对光纤的损耗影响较大。在950nm、1240nm、1390nm波长附近有吸收损耗峰，以1390nm上的吸收最严重，也就是常听说的“水峰”吸收。
改进制造工艺，如避免使用氢氧焰加热(汽相轴向沉积法)可有效改善水峰吸收影响。
对于纯石英光纤，杂质引起的损耗影响可以不考虑。
3、原子缺陷吸收：是光纤在制造过程中玻璃受到热激励或受强辐射时，产生原子缺陷而造成的损耗。
二、散射损耗
散射损耗是由于光纤材料密度不均匀或光纤波导结构缺陷等使光功率泄露出纤芯外所造成的损耗。
本征散射是材料散射中最重要的散射，损耗功率与传播模式的功率成线性关系。它是由于材料原子或分子以及材料结构的不均匀性，使得材料的折射率产生微观的不均匀性而引起传输光波的散射。这种散射是材料固有的，不能消除，是光纤损耗的最低极限，瑞利散射即属于这一类。
瑞利散射损耗与波长四次方成反比，在长波长上工作时，光纤的损耗可大大减小。瑞利散射在600～1 600nm波段对光纤通信产生影响。
虽然瑞利散射没法消除，但长波长相对来说散射损耗较小，所以长距离传输通常选用1550nm附近的波长。
另一类本征散射是掺杂不均匀引起的，在光纤制造中，为了改变光纤的折射率，需要掺杂某种氧化物，当氧化物浓度不均匀或起伏时就会引起这种散射。
这里值得注意的是，掺入光纤中的虽然也是杂质，但是属于人为主动添加的，掺杂的作用是可以改变光纤的折射率以达到某种目的。所以杂质这个因素在某个方面也不全是坏事。
后续我们还会接触到掺杂光纤用于光纤放大的，也是在光纤中掺杂了一些金属离子。
除此上述散射外，还有非线性散射。
非线性散射有受激布里渊散射和受激拉曼散射。在强光功率密度作用下，入射光子与介质分子发生非弹性碰撞时会产生声子，当光是被传播的声学声子所散射时，称为布里渊散射；当光是被分子振动或光学声子所散射时，称为拉曼散射。
这两种受激散射都有一个阈值功率，只有超过此值时才会发生。在通常的光通信系统中，输入光纤的光功率一般较低，通常不产生非线性散射。
但在密集波分复用系统中，当光纤中传输的光强大到一定程度时就会产生受激拉曼散射、受激布里渊散射和四波混频等非线性现象，这会使输入光能量转移到新的频率分量上，从而产生非线性损耗。
三、辐射损耗
辐射损耗是由于纤芯包层界面上存在着微小结构波动、光纤内部波导结构不均匀而引起的损耗。
光纤结构不规则时部份传输能量将辐射出纤芯外而变成辐射模，使损耗增加。
这种损耗可以靠提高制造技术来降低。
四、弯曲损耗
弯曲损耗是光纤轴弯曲所引起的损耗。
任何肉眼可见的光纤轴线对于直线的偏移称作弯曲或宏弯曲。
光纤弯曲将引起光纤内各模式间的耦合，当传播模的能量耦合入辐射模或漏泄模时，就会产生弯曲损耗。这种损耗随曲率半径的减小按指数规律增大。
另一类损耗是光纤轴产生随机的微米级的横向位移状态所成的，称作微弯损耗。产生微弯的原因是光纤在被覆、成缆、挤护套、安装等过程中，光纤受到过大的不均匀侧压力或纵向应力，或光纤制造后因涂覆层或外套的温度膨胀系数与光纤的不一致等造成的。
针对弯曲损耗，光纤线路可以采用低弯曲损耗的光缆，或者严格遵循光缆敷设行业标准规范，合理控制光缆弯曲半径，尽可能降低弯曲损耗。
五、其它损耗
光纤的使用中还会存在连接损耗、耦合损耗等。
选用光纤熔接或使用高质量的光纤连接器可能效降低因光纤接续所产生的损耗。
光纤通信的三个低损耗“窗口”
下图中蓝色衰耗曲线描绘了光纤衰减系数与波长的对应关系，该曲线也叫损耗谱曲线。
光纤通信常说的三个低损耗“窗口”分别是：850nm波段、1310nm波段和1550nm波段。
850nm波段损耗较大，通常用于几百米内的通信传输使用。
1310nm波段损耗较小，通常用于中等距离，如：2km，10km，20km等。
1550nm波段损耗很小，长距离大容量的光纤通信系统多工作在这一波段。
光纤损耗的另一种分类方法
本征光纤损耗
本征光纤损耗是指光纤材料固有的一种损耗，引起本征光纤损耗的因素主要有两个：光的吸收和光的散射。
光的吸收是光纤传输中引起光损耗的主要原因，是由光纤材料和杂质对光能的吸收引起的，因此，光的吸收损耗也被称为光纤材料吸收损耗。
光纤的散射损耗是指在光纤结构中分子水准上的不规则所造成的光的散射。
非本征光纤损耗
非本征光纤损耗通常是由光纤的不正当处理引起的，主要有两种类型：对接损耗和弯曲损耗。
在光纤通信网路中，光纤之间的互相连接是必然的。前面我们讲过，光纤线路通常是由多段接续起来的，接续引起的光纤损耗无法避免，不过可以通过恰当的处理减小到最小。
如何估算传输距离
光通信传输时，怎样估算光信号能在光纤中传多远？
举个例子：光源中心波长为1550nm，发光功率是100mW，接收端探测器的接收灵敏度为-14dBm，问这种发射和接收组合大概可以传输多远距离？
光信号波长是1550nm的，那么肯定是单模传输，即使用的是单模光纤。
通过前面光纤ITU-T光纤标准学习，我们了解到常规单模光纤在1550nm波长的损耗约为0.25dB/km，估算时我们以此值作为参考。
注：光缆熔接、连接头、弯曲等也会产生附加损耗，实际通信系统设计时需要将这些因素考量进去。
100mW换算成dBm为单位就是20dBm，接收端可以接收-14dBm的光信号，那么允许的链路损耗即是20-（-14）=34dB。
注2：通信系统设计需在满足接收灵敏度前提下留一定的系统余量，以保证长期运行稳定性，这里我们只是估算。
用34 / 0.25 = 136，可得理论最大传输距离达136km。（仅作估算用）
注3：传输距离除了受衰减因素的影响，非零色散情况下高速长距离传输还需考虑色散等其它影响因素。
