Page 16 - 網絡電信2024年12月刊
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光通信
級，當紫外光照射時，這些能級可以促使電子躍遷，進而吸收光能。 光波的散射程度。
1.1.2 紅外吸收 （2）制造過程：光纖的抽拉過程中溫度控制、氣氛控制等
紅外吸收主要發生在光纖傳輸光譜的紅外端，即在較長波
條件的微小差異都可能導致材料內部結構的不均勻性和純度，
長區域。這種損耗是由于光纖材料中存在的分子振動模式吸收 增加瑞利散射的程度。
紅外光能導致的。
（3）幾何尺寸：光纖的直徑、形狀等幾何特性也會影響
紅外吸收的成因主要包括： 瑞利散射。例如，較細的光纖會增加散射損耗。其一，模式耦
1.材料本征吸收：在光纖的硅石英基質中，特別是石英 合：光纖中的光傳輸可以由多種模式組成，其中包括主模式和
（SiO2）分子，存在多種分子振動模式，包括伸縮振動和彎曲 多種次級模式。當光纖直徑較細時，主模式和次級模式之間的
振動等。當光纖中的光波長與這些振動模式的固有頻率相匹配 耦合增加。這些次級模式可能會與材料中的微小不均勻性發生
時，就會發生能量的吸收，導致光信號衰減。這類吸收在紅外 耦合，并導致更多的光散射。其二，散射區域增加：較細的光
區域尤為顯著，尤其是在光波長接近或超過1600nm時。 纖相對于光的波長來說，表面積更大，這意味著更多的光與光
2.雜質吸收：紅外吸收還可能由于光纖材料中殘留的水分 纖材料中的微小不均勻性相互作用，從而增加了散射。散射的
子或羥基（OH-）離子引起，即使是微量的雜質，也會導致顯著 強度與表面積有關，因此較細的光纖會產生更多的散射。
的吸收損耗。特別是OH-離子的吸收在1383nm附近有一個明顯的峰。
3.光纖涂層：光纖的涂層也會對紅外光產生吸收。如果這 （4）外部環境：光纖在使用過程中的機械應力和環境變化
些材料在紅外波段有較高的吸收特性，都會增加整個光纖的損耗。 （如溫度波動）也會影響其內部結構的均勻性，從而影響瑞利散射。
1.1.3 瑞利散射
瑞利散射是光纖固有損耗中最主要的組成部分，對光纖通 1.2 外在損耗
信系統的性能有著決定性影響。它是由光纖材料內部微觀結構 在光纖通信中，除了由材料本身特性所導致的固有損耗
的不均勻性引起的散射現象，這種不均勻性主要是由于材料的 外，光纖還面臨著一系列外在損耗因素，這些因素同樣對光纖
微觀組成和密度波動造成的。 的傳輸效率和系統性能具有重要影響。外在損耗主要來源于光
1.瑞利散射的物理機制 纖與外部環境的交互作用，包括機械應力、化學污染、溫度變
瑞利散射發生的原理基于光波在介質中傳播時遇到尺寸遠 化以及制造和安裝過程中的不完善等。
小于光波長的微觀不均勻性。這些微觀不均勻性可以是材料中 外在損耗主要包括以下幾種類型：
的分子結構不規則、組成成分的微小波動，或是材料密度的隨 1.OH和TM元素吸收：水分（OH離子）和過渡金屬（TM）雜
機變化。當光波通過這些微觀結構時，部分光波會在各個方向 質的存在可以引起特定波長的吸收，顯著影響光纖的傳輸特性。
上被散射，從而造成能量的損失。四種光纖中主要的散射如公 2.波導污染：制造過程中的塵埃、化學物質殘留或其他污
式（1）所述[3]： 染物質可能沉積在光纖芯或包層上，影響光波的傳播。
3.彎曲損耗：光纖在安裝或使用過程中的不當彎曲會導致
光的泄漏，這包括宏彎曲損耗和微彎曲損耗，前者指光纖的大
角度彎折，后者涉及到光纖表面的微小缺陷或不規則性。
αdensity和αconcentration被認為是彈性散射，αdensity為瑞利散 2、降低損耗措施
射，主要涉及密度波動，而αconcentration為米式散射，主要涉及
濃度波動。αBrillouin和αRaman被認為是非彈性散射，αBrillouin為布 降低損耗措施主要從拉絲生產工藝端去優化改善，主要包
里淵散射（聲學聲子的非線性散射），αRaman為拉曼散射（涉及 括絲徑調控及退火工藝優化，旨在調控光纖的降溫速率及尺寸
晶格中的的光學聲子，拉曼散射光具有偏振性，偏振與晶體的 均勻性。單模光纖中的衰減主要是瑞利散射分量，它來源于玻
結構對稱性有關）。 璃假想溫度驅動的密度波動，以及芯層和包層中摻雜劑的濃度
波動[4][5][6]。瑞利散射系數R可表示為公式（2）[4]:
當光在不均勻介質中傳播時,一部分光線不能直線傳播，向
四面八方散射開來，形成光的散射現象。不均勻是指微觀結構 公式（2）中，Rd表示密度波動時的瑞利散射，Rc表示摻雜
的不均勻。光纖散射分為彈性散射和非彈性散射兩種。彈性散 劑濃度波動時的瑞利散射。
射指光子的能量和動量都不變，只改變傳播方向，形成通道內
的光散射。非彈性散射指在散射過程中光子的能量或動量發生 公式（3）中λ為波長，n為折射率，p為光彈性系數，βc為
變化，如波長改變、能量損失、偏振轉換等。 等溫可壓縮性，KB為玻爾茲曼常數，Tf為有效溫度。影響散射對
密度波動的唯一物理顯著變量就是有效溫度。
在散射光中，絕大部分光都是瑞利散射，米式散射對于波
長的依賴性較弱，拉曼散射和布里淵散射都非常弱。當散射微 拉絲生產端的優化措施：
1. 絲徑調控（圖2a）：通過控制光纖的直徑和一致性，減
粒的直徑遠小于入射光波長時，一般小于 ，發生瑞利散射， 少由于微觀的不均勻性問題，從而降低瑞利散射。均勻的光纖
強度與 成反比。當微粒尺寸增大到與波長相當時，發生米氏 直徑還有助于減少光纖在彎曲時的應力集中，進一步降低彎曲損耗。
散射，強度與 成反比，且隨著微粒增大，散射強度變弱。因 2. 退火工藝優化（圖2b）：退火是一種通過控制加熱和
此，對于光纖材料，需重點解決瑞利散射。 冷卻過程來改善材料微結構的技術。在光纖制造中，適當的退
火可以降低內部應力，減少由內部應力引起的光信號散射和損
2.影響瑞利散射的因素
（1）材料的組成：硅石英基光纖的主要材料是二氧化硅
（SiO2），如材料內部含有微小雜質，會影響光纖的均勻性和
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