揭秘石英光纤损耗：多因素解析与影响

在当今高速发展的光通信领域，FC 石英光纤凭借其卓越的性能成为了信息传输的关键载体。然而，光纤损耗这一关键问题一直备受关注，它直接影响着光信号传输的质量和效率。深入研究光纤损耗的类型、机理以及影响因素，对于推动低损耗和超低损耗光纤的研制，提升光通信系统的性能具有至关重要的意义。

一、光纤损耗的本质与分类

光纤损耗，简单来说，是指光信号在光纤传输过程中光功率减小的现象。这一现象的产生源于多种因素，主要可分为固有损耗和使用过程中的附加损耗两大类。

固有损耗由光纤自身的内在特性决定，包括本征损耗和非本征损耗。本征损耗主要源于光纤材料本身的结构特性，像瑞利散射损耗、紫外吸收损耗和红外吸收损耗等，这些损耗无法消除，决定了光纤损耗的下限。非本征损耗则是由光纤结构缺陷和杂质引发的光吸收损耗。

使用过程中的附加损耗主要有氢损、应力损耗和弯曲损耗等，这些损耗是在光纤的制造、敷设和使用过程中，受外部因素影响而产生的。

二、光纤损耗的行业应用与影响

在光通信、光谱测量等众多领域，光纤的低损耗特性都有着重要的应用价值。例如，在光通信领域，低损耗的光纤能够实现更远距离、更高容量的信息传输，减少信号衰减，提高通信质量。而在光谱测量领域，光纤的低损耗特性对于准确获取光谱信息至关重要。景颐光电设计生产的多种光纤，如抗紫外石英光纤、深紫外石英光纤、可见光玻璃石英光纤、近红外石英光纤、中红外石英光纤等，凭借其低损耗、高通量的特点，与该公司的微型光谱仪、光纤光源及其他光谱配件配合，能够搭建多种高性能的光谱测量系统，广泛应用于高能光源传输、光谱搭建、光源采集、光学测温、医学传感、激光治疗等领域。

然而，光纤损耗的存在会对这些应用产生不利影响。例如，在光通信中，光纤损耗会导致信号衰减，限制传输距离和传输容量；在光谱测量中，光纤损耗会影响光谱信号的强度和准确性，降低测量精度。

三、光纤损耗的影响因素及技术原理

1. 本征损耗

瑞利散射损耗：这是光纤在波长 600nm - 1600nm 波段的主要损耗来源，在光纤的总传输损耗影响因素中占比高达 50% - 85%。瑞利散射强度受掺杂元素和掺杂量的影响，随掺杂量的增加而增大。其损耗可以用公式表示，其中系数 A 与光纤折射率相关。瑞利散射损耗的产生是由于光纤材料中的微观不均匀性导致光的散射，这种不均匀性是由光纤材料的热涨落和分子结构的不规则性引起的。

紫外吸收损耗：由光与石英玻璃材料价带中的电子相互作用导致，符合乌尔巴赫定则。其损耗可以用公式表示，其中 C₀ 是经验常数，λ₀ 是紫外本征吸收波长，λ 是入射光波长。紫外吸收损耗的本质是电子跃迁，当光照射到光纤材料时，价带中的电子吸收光子能量跃迁到导带，从而导致光的吸收损耗。

红外吸收损耗：是由玻璃材料中的化学键分子振动造成的。光与化学键相互作用，光把能量传递给化学键，转化成伸缩振动的能量，从而产生吸收损耗。其损耗同样可以用公式表示，其中 C₀ 是经验常数，λ₀ 是红外本征吸收波长，λ 是入射光波长。

非本征吸收损耗

光纤结构缺陷：光纤的结构缺陷由光纤预制棒的制棒工艺和拉丝工艺造成，按照尺寸可分为宏观缺陷、纳米级亚微结构缺陷和微观结构缺陷三类。随着原材料纯度的提升和光棒制造工艺的进步，宏观缺陷和亚微结构缺陷已基本消除，目前光纤的结构缺陷主要是微观结构缺陷。微观结构缺陷中对光纤传输波段影响最大的是羟基，其在近红外波段有若干振动吸收峰，基波吸收峰在 2730nm，二次谐波吸收峰在 1383nm，三次谐波吸收峰在 950nm。在光纤传输波段中远离 1383nm 的区域，羟基引起的吸收损耗影响较小。此外，光纤中的铁、钴、镍、铜、锰、铬、钒等过渡金属元素杂质也是造成光纤非本征吸收损耗的重要原因之一。这些过渡金属元素一般以离子形式存在于光纤材料中，由于其存在α电子结构，在光的激发下容易使α电子在不同轨道间发生跃迁，从而导致光的吸收损耗。

氢引起的吸收损耗

光纤在使用过程中，光缆结构材料和环境中的氢会扩散进入光纤，引起附加损耗，即氢损。氢分子在室温下即可通过渗透作用扩散进入光纤，其扩散过程可以用公式表示。光纤损耗增加主要由氢气分子的高次振动模和氢气与缺陷的反应产物的特征吸收峰导致。氢气分子的高次振动模吸收峰在 1080nm、1130nm、1170nm、1240nm、1590nm、1630nm 等波长处，其中 1240nm 的吸收峰最显著。氢气分子主要与光纤中非桥氧空心缺陷（Si - O··O - Si，NBOHCs，吸收峰 630nm）和 Si - E’心缺陷（吸收峰 215nm、630nm）发生化学作用，反应产物中，Si - O - H 和 Si - O - O - H 的特征吸收峰在 1383nm，Si - H 的特征吸收峰在 1530nm，这两个波长分别位于 E 波段和 L 波段，会影响光纤的传输性能。此外，对于纤芯掺 GeO₂ 的光纤，在较高温度下氢扩散进入光纤与光纤结构缺陷相互作用，还会产生短波吸收边（SWE）效应，其吸收损耗主要在波长低于 1μm 的短波段，但也会在 1310nm 和 1550nm 处产生吸收损耗增加。

应力引起的光纤损耗

应力也是造成光纤损耗的重要因素之一。光纤在使用过程中，应力来源于材料本身的内应力和光纤受到外力产生的应力。光纤材料本身的内应力包括热应力、结构应力和机械应力等。应力会导致光纤材料密度不均匀，从而引起散射损耗。内应力取决于制棒工艺和拉丝工艺，例如，以 VAD + OVD 的制棒工艺为例，VAD 疏松体的密度、VAD 母棒烧结温度及温度变化速率、母棒拉伸温度和张力、OVD 疏松体密度、OVD 烧结温度及温度变化速率、退火工艺等因素都会对光棒应力水平产生重要影响。拉丝应力的影响因素包括拉丝张力 F、拉丝温度 T 和拉丝速度 v，这三种因素相互关联影响。在高速拉丝中，光纤内部的残余应力随着拉丝张力 F 的增加而增大。基于光弹性效应，当玻璃受到压应力和拉应力时，折射率会发生变化，从而对光纤衰减产生影响。此外，光纤由高温冷却至室温时，光纤结构中高膨胀系数部分呈现收缩趋势，低膨胀系数部分呈现紧缩趋势，从而使纤芯部分受到拉应力，而包层部分受到压应力，这种应力会导致光纤结构产生微小形变，造成光纤内部折射率产生微小突变，进而影响光纤衰减。

弯曲损耗

光纤在成缆和敷设过程中会引入弯曲损耗，包括宏弯损耗和微弯损耗。宏弯损耗是由于光纤弯曲时，光在弯曲部分中传输，当超过某个临界曲率时，传导模会变成辐射模，从而引起光束功率的损耗。对于折射率突变型单模光纤，弯曲损耗主要取决于弯曲半径、折射率差和比值λ/λc。微弯曲是指光纤在正常位置附近以微小偏移做随机振荡，尽管偏移量小，但振荡周期一般也很小，可能发生急剧的局部弯曲。微弯主要是由制造和安装过程中应变以及温度变化引起光缆材料尺寸变化形成的。对于给定的截止波长和工作波长，微弯损耗与折射率差有很强的相依关系。同时，弯曲损耗还会影响光纤的其他性能，如截止波长、高功率激光注入、存储寿命等。

四、光纤损耗的技术优势与研究进展

随着科技的不断进步，光纤损耗的研究取得了显著的进展。在光纤制造工艺方面，通过优化制棒工艺和拉丝工艺，能够有效降低光纤的内应力和结构缺陷，从而降低光纤损耗。例如，景颐光电在光纤制造过程中，采用先进的技术和设备，严格控制生产工艺，生产出的光纤具有低损耗、高性能的特点。在光纤应用方面，通过采用新型的光纤材料和结构，以及优化光纤的敷设和使用环境，能够进一步降低光纤损耗，提高光纤的传输性能。例如，采用抗弯曲光纤能够有效降低弯曲损耗，提高光纤在复杂环境下的传输性能。

综上所述，光纤损耗是一个复杂的问题，其类型多样，影响因素众多。深入研究光纤损耗的机理及其影响因素，对于推动光纤技术的发展，提高光通信系统的性能具有重要的意义。随着科技的不断进步，相信在未来，光纤损耗将会得到进一步的降低，光纤技术将会在更多的领域得到广泛的应用。

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