光纤衰减：光子学设计基础

在本书4.2节已经详细讨论过光在材料中的衰减机理。已经知道，原因是光学介质中的原子吸收和散射。

大部分高精度光学纤维是将非晶态熔化硅拉成极细的纤维丝制成（见图8.12）。熔化的材料块称为“粗加工件”（或预成型件），必须仔细设计，使其具有满足一定比例要求的光纤形状。通过掺杂诸如铍或锗材料，使芯的折射率比包绕层高，抽拉工序中要保持外形结构。由一个粗成品可以加工出几万米的光纤（更详细的光纤加工过程，见参考文献[3]）。

图4.3给出了硅的吸收光谱。实际上，图中所示的两个峰值是由于O-H键的伸长而使基本振动在2.8μm处产生的谐波（“泛音”），由于出现在对光学通信非常有用的光谱区域内，所以这些峰值比较麻烦。在该区域有非常好的发光二极管和激光光源（GaAs）。正如在下一节看到的，这也是一个低色散区。这就意味着，其加载信息的能力非常大。

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图8.12　一种拉丝设备示意图

在20世纪60年代中期，已经认识到硅“玻璃”中的损耗与其纯度（通过成熟工艺可以消除其杂质）有关，从而开始了光纤通信技术，其中包含的杂质绝大部分是金属离子，如Fe³⁺，Mn²⁺，Ni²⁺和Co²⁺。若消除了这些杂质，O-H谐振问题仍然存在，这是因为结构中还有残余的水，并且很难证明完全被消除。然而，到20世纪70年代中期，对该材料的问题进行了集中攻关，从而产生了相当高纯度的硅。在小于1.2μm的光谱区，几乎观察不到由“水”造成的二级峰值（见图8.13）。而仍然存在的衰减完全是由瑞利散射造成（约1/λ⁴）。这是非晶态硅材料结构的基本性质，不可能再减小。显然，在这些条件下，光波波长越长（频率越小），衰减就越小，通信线路也就越好。当其他谐振，如Si-O（基本材料）、Be-O和Ge-O（芯掺杂物）再次形成吸收时，直至波长约大于1.55μm都是正确的，所以1.55μm是适合通信使用的较好波长，此处的损耗低达0.2dB/km。然而，在选择通信工作波长时需要考虑的不仅是衰减，其中之一是光源的实用性。在本书6.2.4节已经介绍过，设计激光器的难度随ν³而增加（ν为光学频率），而另一个问题是色散。下面就详细讨论色散问题。