光信号在光纤中传输时的功率损耗是光纤的一个重要参数。如果 P0P_0P0 是输入光纤的功率,则输出光纤的功率为
PT=P0e−αzP_T=P_0e^{-\alpha z}PT=P0e−αz
其中 α\alphaα 是光纤损耗的度量,称为衰减常量 (attenuation constant),或衰减系数 (attenuation coefficient),zzz 是光信号在光纤中传播的距离。实际工程中,我们更习惯用 dB 作为损耗的单位,
αdB=1z⋅10log(PTP0)=4.343α\alpha_{dB}=\frac{1}{z}\cdot 10\log\left(\frac{P_T}{P_0}\right)=4.343\alpha αdB=z1⋅10log(P0PT)=4.343α
光纤损耗是与波长有关的。一根光纤在传播不同波长的光信号时,光信号收到的损耗是不同的。我们通常希望在光纤损耗最低的波长处传播信号,α\alphaα 的典型值 0.2dB/km0.2\ dB/km0.2dB/km。
导致光纤有损耗的原因有很多,起主导作用的有3个:1. 散射损耗,2. 吸收损耗,3. 弯曲损耗。
散射损耗指的就是瑞利散射,它是光纤不了避免的,决定了光纤损耗的最终极限。由于光纤制作过程中密度不均匀导致了折射率的起伏,使得光会向各个方向散射造成能量的损失。在1550nm附近造成的损耗典型值为
αR=0.12∼0.15dB/km\alpha_R=0.12\sim0.15\ dB/km αR=0.12∼0.15dB/km
吸收损耗指的是物理材料会阻碍光信号(电磁波)的传播,吸收一部分的光功率。光纤的主要成分是石英,石英在紫外区和远红外线区存在的电子共振会吸收一部分光功率;光纤中的氢氧根离子杂质,该杂质在1.23um和1.4um附近会阻碍电磁波的传播……
弯曲损耗是我们常常会碰到的,要求光纤不要有大弧度的弯曲,这将导致光功率会从光纤中辐射出去。此外还会导致模式间功率的耦合等等问题,针对于光纤损耗而言,不必要展开阐述的如此详细。