揭秘石英光纤损耗的奥秘与影响要素

在光纤技术领域，光纤损耗作为一项关键的光学特性，其降低始终是技术发展的重要目标。国仪光子所设计生产的多种宽光谱石英光纤，涵盖抗紫外石英光纤、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。这些光纤凭借专业化设计，具备高通量特性，与该公司的微型光谱仪、光纤光源及其他光谱配件相结合，能够构建多种光谱测量系统，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、激光治疗等众多领域。深入探究光纤损耗的类型、作用机理以及影响因素，对于低损耗和超低损耗光纤的研发以及光谱测量系统的优化有着至关重要的意义。

光纤损耗的类型与本质

石英光纤以二氧化硅（SiO₂）为主要成分，在通信系统等领域应用广泛。然而，在光信号传输过程中，由于吸收、散射、结构不规则以及弯曲等因素，会导致光功率下降，产生光纤损耗。光纤损耗主要分为固有损耗和使用过程中的附加损耗，其中固有损耗更为关键，包含本征损耗和非本征损耗。

本征损耗：光纤的内在制约因素

本征损耗由光纤内部因素引发，与光纤材料结构密切相关，无法消除，决定了光纤损耗的下限。主要包括瑞利散射损耗、紫外吸收损耗和红外吸收损耗。瑞利散射损耗：在600nm - 1600nm波段，瑞利散射是光纤损耗的主要来源，在总传输损耗影响因素中占比达50% - 85%。瑞利散射强度受掺杂元素和掺杂量的影响，随着掺杂量的增加而增大，其系数与光纤折射率相关。紫外吸收损耗：由电子跃迁引起，是光与石英玻璃材料价带中电子相互作用的结果，遵循乌尔巴赫定则。红外吸收损耗：由玻璃材料中化学键分子振动造成，光与化学键相互作用，将能量传递给化学键转化为伸缩振动能量。

非本征吸收损耗：结构缺陷与杂质的作用

非本征吸收损耗由光纤结构缺陷导致，这些缺陷主要源于光纤预制棒的制棒工艺和拉丝工艺。石英玻璃的结构缺陷按尺寸可分为宏观缺陷（如气泡、析晶、杂质颗粒等）、纳米级亚微结构缺陷（主要是玻璃分相）和微观结构缺陷（玻璃结构晶格结构缺陷，包括晶格网络结构本身缺陷和杂质元素）。随着原材料纯度和光棒制造工艺的提升，宏观缺陷和亚微结构缺陷基本得到消除，目前主要的结构缺陷为微观结构缺陷。羟基的影响：在微观结构缺陷中，羟基对光纤传输波段影响最大。羟基在近红外波段有若干振动吸收峰，其基波吸收峰在2730nm，二次谐波吸收峰在1383nm，三次谐波吸收峰在950nm。在远离1383nm的光纤传输波段区域，羟基引起的吸收损耗影响较小。过渡金属元素的影响：光纤中的铁、钴、镍、铜、锰、铬、钒等过渡金属元素杂质也是造成非本征吸收损耗的重要原因。这些元素一般以离子形式存在，由于其α电子结构，离子变形大、变价多，在光激发下易使α电子在不同轨道间跃迁，导致光吸收。目前的光纤制造工艺已能将过渡金属浓度降至极低水平。

氢引起的吸收损耗：使用中的潜在风险

在光纤使用过程中，光缆结构材料和环境中的氢会扩散进入光纤，引发附加损耗，即氢损。氢分子在室温下可通过渗透作用扩散进入光纤，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：氢气分子的高次振动模吸收峰位于1080nm、1130nm、1170nm、1240nm、1590nm、1630nm，其中1240nm的吸收峰最为显著。氢气与缺陷的反应产物：氢气主要与光纤中的非桥氧空心缺陷和Si - E’心缺陷发生化学反应，反应产物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，影响光纤传输性能。部分化学反应不可逆，产生的衰减增加是永久性的；部分可逆，但衰减降低幅度有限。对于纤芯掺GeO₂的光纤，会形成永久性的Ge - O - H，吸收峰在1410nm。光纤在成缆前会进行氢损试验，且可通过氘气处理消除导致氢损的缺陷，保证1383nm衰减的稳定。此外，掺锗光纤在较高温度下，氢扩散与结构缺陷相互作用会产生短波吸收边（SWE）效应，在短波段及1310nm和1550nm处产生吸收损耗增加。

应力引起的光纤损耗：工艺与环境的综合影响

应力是造成光纤损耗的重要因素，包括材料本身的内应力（如热应力、结构应力和机械应力）和光纤受到的外力应力。应力会导致光纤材料密度不均匀，进而引起散射损耗。内应力的影响因素：内应力取决于制棒工艺和拉丝工艺。以VAD + OVD制棒工艺为例，VAD疏松体密度、烧结温度及变化速率、母棒拉伸温度和张力、OVD疏松体密度、烧结温度及变化速率、退火工艺等都会影响光棒应力水平。通过优化这些工艺可降低内应力。拉丝应力的影响：拉丝应力受拉丝张力、拉丝温度和拉丝速度相互关联影响。在高速拉丝中，光纤内部残余应力随拉丝张力增加而增大。基于光弹性效应，应力会使光纤折射率发生变化，影响光纤衰减。研究表明，光纤的退火工艺可改善内部应力，进而改善衰减损耗、翘曲特性和光纤脆性；拉丝速度、退火炉位置、内涂层模量和直径、涂层固化速度等工艺参数对光纤损耗有显著影响。

弯曲损耗：成缆与敷设的难题

在光纤成缆和敷设过程中，弯曲会引入附加衰减，主要包括宏弯损耗和微弯损耗。随着FTTx的发展，光纤应用场景愈发复杂，对弯曲损耗性能要求也更高。宏弯损耗：当光纤弯曲时，光在弯曲部分传输，为保持同相位电磁场在一个平面，传导模平面波前需以弯曲光纤曲率中心为旋转中心，外侧纵向速度需增大。当超过临界曲率时，相速度大于包层平面波相速度，传导模变为辐射模，导致光束功率损耗。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。微弯损耗：微弯曲是光纤在正常位置附近的微小随机振荡，虽偏移量小，但振荡周期短，可能导致急剧局部弯曲。微弯主要由制造和安装过程中的应变及温度变化引起光缆材料尺寸变化形成。对于给定的截止波长和工作波长，微弯损耗与折射率差密切相关。光纤的弯曲损耗受多种因素影响，且会影响光纤的其他性能，因此在光纤设计时需综合考虑。

光纤损耗研究的重要意义与未来展望

低损耗和大容量是光纤发展的必然趋势。在未来400G及更高的通信传输系统中，降低光纤损耗可大幅降低系统建设和维护成本。国仪光子的各类宽光谱石英光纤及相关光谱测量系统在不同领域的应用，也对光纤损耗的控制提出了更高要求。光纤损耗类型多样，影响因素涉及光纤制造和使用的各个环节。深入研究光纤损耗的机理及其影响因素，不仅有助于研制低损耗和超低损耗光纤，还能为光谱测量系统的优化提供理论支持，推动光纤技术和光谱测量技术的不断发展。

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