光纖鏈路的損耗

  光纖通信中，光纖鏈路的損耗是一個(gè)非常重要的控制對(duì)象。而光纖鏈路中，引起損耗的原因則是非常復(fù)雜，快速的準(zhǔn)確的判斷損耗的原因并能準(zhǔn)確的消除一些損耗就比較重要。但是現(xiàn)實(shí)中，或許對(duì)光纖鏈路的損耗的不重視，或者因?yàn)閷?duì)光纖鏈路損耗的機(jī)理和判斷方法缺乏了解，或者診斷的代價(jià)是如此之大等等，都可能會(huì)直接忽視光纖鏈路的損耗。

  深入了解光纖鏈路的損耗，對(duì)研發(fā)，生產(chǎn)和應(yīng)用等來說，無疑是非常必要的。

  光纖鏈路的損耗有來自物理原因，比如溫度變化。有來自化學(xué)原因，比如外部環(huán)境中的物質(zhì)和光纖纖芯發(fā)生化學(xué)變化導(dǎo)致了折射率的變化。后者在數(shù)據(jù)通信的環(huán)境中，應(yīng)該是可以忽略的，比如光纖跳線的接頭對(duì)接在高濕環(huán)境中，其對(duì)接的纖芯表面就可能由于外部環(huán)境導(dǎo)致折射率的波動(dòng)，但是折射率的變化證明是非常小的，該變化對(duì)于光纖鏈路的損耗的影響幾乎是測試系統(tǒng)無法準(zhǔn)確測定的，而可以被忽略的。

  光纖鏈路的損耗可以大致分為如下幾類。

  光纖內(nèi)部的固有損耗

  這種光纖內(nèi)部的固有損耗光纖本身固有的，一般情況下是無法改變的。了解這些只是為了判斷整個(gè)鏈路的基礎(chǔ)的最小的損耗。大致可分為吸收損耗和散射損耗兩大類，還包括一些由于光纖制造本身帶來的損耗。

  吸收損耗包括本征吸收和雜質(zhì)吸收。本征吸收主要是紫外吸收和紅外吸收。光纖數(shù)據(jù)通信的工作波段都在近紅外波段，包括多模和單模通信。

  但是紫外吸收帶尾部也延伸并覆蓋了整個(gè)光纖數(shù)據(jù)通信的工作波段。在多模工作波段850nm處影響較大。紅外吸收主要影響在單模的工作波段。越過1650nm，其紅外吸收急劇升高。

  雜質(zhì)吸收包括光纖中的材料的不純凈導(dǎo)致，這里不包括光纖的摻雜物，主要是過度金屬離子和OH根離子。制造工藝本身也會(huì)帶來可能的損耗，比如SAS導(dǎo)致的損耗。

  散射損耗由于材料濃度和密度的不均勻引起的光的散射造成的損耗。有瑞利散射，拉曼散射和布里淵散射等幾類不同的散射機(jī)理。光纖中一般只是考慮瑞利散射的影響。

  幾種光纖內(nèi)部的固有損耗大致如下圖所示。

  光纖內(nèi)部的固有損耗從光纖的規(guī)格參數(shù)可以獲得大致的參考值。這部分對(duì)于應(yīng)用來說是無法改變的。

  光纖的彎曲損耗

  光纖的彎曲損耗分為我們熟知的宏彎損耗和微彎損耗兩大類，都是由于光纖的彎曲導(dǎo)致。在實(shí)際應(yīng)用中，這兩類損耗很多情況下同時(shí)存在，無法區(qū)分。宏彎損耗可以認(rèn)為是由于可以觀察到的較大的彎曲導(dǎo)致的損耗，而微彎損耗則不易觀察，主要是與光纖接觸的表面由于物理的不規(guī)則導(dǎo)致了光纖擾動(dòng)為微小的半徑彎曲，如下圖所示，由此會(huì)導(dǎo)致了微彎損耗。

  導(dǎo)致宏彎損耗的因素很多，主要包括人為原因，機(jī)械原因，以及環(huán)境原因。人為原因常見的是在應(yīng)用中的低于設(shè)計(jì)要求規(guī)格的小彎曲，這個(gè)容易避免。不容易避免的是機(jī)械原因和環(huán)境原因。由于光纖余長的存在，光纖在光纜內(nèi)部的彎曲是必要的，可以提供安全的機(jī)械性能。但是由于在外部環(huán)境的溫度變化下，光纜的回縮或者收縮導(dǎo)致光纖在光纜內(nèi)部的彎曲加劇，會(huì)造成明顯的宏彎損耗。布線中受到外物的壓力，也可能造成光纖彎曲帶來的宏彎損耗。但是這里需要提到的是宏彎損耗是波長依賴的。應(yīng)用中的光纖彎曲一般都不會(huì)造成物理的失效，所以需要權(quán)衡工作波長處的宏彎損耗是否有影響。宏彎損耗是無法避免的，只是要判斷宏彎損耗的大小是否在系統(tǒng)中可以接收。

  導(dǎo)致微彎損耗的因素也很多，但是主要是機(jī)械原因。比如受到擠壓的情況下，如果光纖兩次涂層設(shè)計(jì)不是很完善，壓力容易傳導(dǎo)到光纖表面造成微小的彎曲。外界溫度的變化造成的光纜收縮也可能迫使光纖在光纜內(nèi)部受到擠壓造成微彎。接頭的組裝工藝也可能帶來微彎損耗，比如插芯中的光纖為125um，其外部是膠水和插芯內(nèi)孔，膠水的固化以及其溫度的影響也可能有細(xì)微的影響。

  光纖的彎曲損耗一方面需要良好的光纖、光纜和連接器設(shè)計(jì)，另一方面也需要在應(yīng)用中加以注意。比如布線的外部條件要減少外部的擠壓，減少過度的捆綁。同時(shí)要評(píng)估光纜所處的環(huán)境溫度變化，光纜本身是否能滿足該溫度的操作條件。

  區(qū)分損耗是宏彎損耗還是微彎損耗是有意義的，因?yàn)楹陱潛p耗還是微彎損耗的觸發(fā)原因不一樣，可以采用相應(yīng)的方法改善宏彎損耗還是微彎損耗。對(duì)宏彎損耗還是微彎損耗的判斷需要對(duì)多個(gè)波長的損耗進(jìn)行測量后進(jìn)行分析。下圖是一個(gè)公開文獻(xiàn)中的模擬結(jié)果。可以很好的根據(jù)不同的波長測試得到的損耗，來判斷彎曲損耗的類型。

  但是實(shí)際情況下，兩者損耗往往是同時(shí)存在的。需要對(duì)應(yīng)用場景和測試數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析才能得到較為正確的判斷。

  連接損耗

  連接損耗包括光纖鏈路中的熔接損耗、接頭對(duì)接損耗。接頭對(duì)接損耗接頭對(duì)接質(zhì)量，還包括對(duì)接的光纖之間的兼容性。

  接頭的損耗包括非對(duì)準(zhǔn)損耗、端面質(zhì)量、端面雜質(zhì)、光纖模場直徑不匹配等因素導(dǎo)致的損耗，是比較大的損耗來源。降低損耗可以減少接頭對(duì)接而采用熔接方式，但是降低了布線的靈活性和簡易性。非對(duì)準(zhǔn)損耗容易理解，就像我們經(jīng)常劃分的光纖纖芯同心度，徑向、軸向和角向偏移等，主要是對(duì)接接頭的插芯精度問題，最好的自然是如同一根完整的光纖一樣。光纖模場直徑不匹配主要是由于兩者不同模場直徑的光纖導(dǎo)致，但是同一種光纖的模場直徑也是有波動(dòng)的，一般情況下，兩者不同的光纖，其模場直徑的公差范圍也是有交際的。端面質(zhì)量主要是光纖端面是否有劃痕等。對(duì)于現(xiàn)場來說，則更多的關(guān)注端面雜質(zhì)，這也是在使用光纖連接中不斷強(qiáng)調(diào)的“清潔、清潔、清潔”問題。

  接頭的損耗從不同的波長損耗看，和彎曲損耗不太一樣，一般不同的波長的損耗會(huì)同步增加，短波長的損耗依舊比長波長的損耗高。比如1310nm和1550nm的損耗都有增加，但是1310nm的損耗還是比1550nm處的損耗高。這也是能判斷接頭損耗還是彎曲損耗的依據(jù)之一。但是光的損耗非常復(fù)雜，比如不同的空隙，其損耗會(huì)有振蕩變化現(xiàn)象。了解這些不同的損耗表現(xiàn)現(xiàn)象，會(huì)有力的支持對(duì)損耗來源的判斷，進(jìn)一步有效的去解決損耗問題。

  這里也只是列出比較典型的幾類損耗原因， 光纖鏈路的損耗或許是由于無數(shù)的原因同時(shí)其作用而造成的。有時(shí)候確實(shí)非常難以判斷其觸發(fā)的原因，一方面是測試本身的問題，測試本身帶來了損耗誤差以及損耗的不準(zhǔn)確，會(huì)嚴(yán)重誤導(dǎo)了對(duì)損耗的分析。另一方面不同的因素造成的損耗疊加在一起，這種情況下，損耗如果并在容忍的界限以內(nèi)不太容易進(jìn)行區(qū)分。但是如果損耗明顯較大，基于對(duì)不同情況其損耗的不同表現(xiàn)，往往還是可以對(duì)損耗的原因進(jìn)行比較準(zhǔn)確的判斷。進(jìn)一步借助于測試設(shè)備定位的損耗發(fā)生的位置，就會(huì)較為容易的進(jìn)行問題的解決。