[科普中国]-散射损耗

产生原因

散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化，以及所含SiO2、GeO2 和P2O5等成分的浓度不均匀，使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗；或者在制造光纤的过程中，在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、残留一些气泡和气痕等。这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波，引起与波长无关的散射损耗，并且将整个光纤损耗谱曲线上移，但这种散射损耗相对前一种散射损耗而言要小得多。

线性散射损耗任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。

(1)瑞利散射

瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。在光纤的制造过程中，热骚动使原子产生压缩性的不均匀或压缩性的起伏，这使物质的密度不均匀，从而使折射率不均匀，这种不均匀性或起伏在冷却过程中被固定下来。这些不均匀尺寸比光波长还小，当光纤中传播的光照射在这些不均匀微粒上时，就会向各个方向散射。人们把这种粒子的尺寸比波长小得多时产生的散射称为瑞利散射。在光纤中，这些散射光线有些受到波导影响，可以向前或向后传播，有些则由于偏离传播方向而变成辐射模。从而造成光纤中向前传播的光能减小，形成损耗。瑞利散射引起的损耗与λ-4叫成正比。从图3.1中可以看到，这种损耗随着波长的增加而急剧减小。对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。1

(2)光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗)

在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等等。这些结构上不完善处的尺寸远大于光波波长，引起与波长无关的散射损耗。在这里，散射是一种直观的描述。实际上，它是由结构的不完善所引起的模式转换或模式耦合，如图3.3所示。当光纤的芯包界面不呈直线而凹凸不平时，使原来传播光线的入射角起了变化，由于θ角变化而使原来的模式变为另一个模式，这就是模式转换。当低阶模变为高阶模时，其传播路径增加，使衰耗增大；当变化后的θ不再满足全反射条件时，光就会辐射到包层中，形成辐射模。因此这些散射光线不能沿光纤长距离传输，致使光纤传输的光功率受到损耗，整个光纤的损耗谱曲线因此上移。不过随着工艺的改进，一般来说结构缺陷引起的损耗可以降低到0.01～0.05dB/km的范围之内。1

非线性散射损耗光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一旦入射光功率超过阈值，散射光强将呈指数增长。系统采用波分复用和掺铒光放大器(EDFA)时，一定要考虑这两种散射损耗的影响。1