光纤材料的吸收损耗

   制造光纤的材料能够吸收光能。光纤材料中的粒子吸收光能以后，产生振动、发热，而将能量散失掉，这样就产生了吸收损耗。所有光纤产品，比如粗波分复用器、PLC光分路器、光纤跳线等都包含了光纤，光纤中自然就有吸收损耗的存在。
　　我们知道，物质是由原子、分子构成的，而原子又由原子核和核外电子组成，电子以一定的轨道围绕原子核旋转。这就像我们生活的地球以及金星、火星等行星都围绕太阳旋转一样，每一个电子都具有一定的能量，处在某一轨道上，或者说每一轨道都有一个确定的能级。距原子核近的轨道能级较低，距原子核越远的轨道能级越高。轨道之间的这种能级差别的大小就叫能级差。当电子从低能级向高能级跃迁时，就要吸收相应级别的能级差的能量。
　　在光纤中，当某一能级的电子受到与该能级差相对应的波长的光照射时，则位于低能级轨道上的电子将跃迁到能级高的轨道上。这一电子吸收了光能，就产生了光的吸收损耗。
　　制造光纤的基本材料二氧化硅（SiO₂）本身就吸收光，一个叫紫外吸收，另外一个叫红外吸收。目前光纤通信一般仅工作在0.8～1.6μm波长区，因此我们只讨论这一工作区的损耗。
　　石英玻璃中电子跃迁产生的吸收峰在紫外区的0.1～0.2μm波长左右。随着波长增大，其吸收作用逐渐减小，但影响区域很宽，直到1μm以上的波长。不过，紫外吸收对在红外区工作的石英光纤的影响不大。例如，在0.6μm波长的可见光区，紫外吸收可达1dB／km，在0.8μm波长时降到0.2～0.3dB／km，而在1.2μm波长时，大约只有0.ldB／km。
　　石英光纤的红外吸收损耗是由红外区材料的分子振动产生的。在2μm以上波段有几个振动吸收峰。由于受光纤中各种掺杂元素的影响，石英光纤在2μm以上的波段不可能出现低损耗窗口，在1.85μm波长的理论极限损耗为1dB／km。
　　通过研究，还发现石英玻璃中有一些“破坏分子”在捣乱，主要是一些有害过渡金属杂质，如铜、铁、铬、锰等。这些“坏蛋”在光照射下，贪婪地吸收光能，乱蹦乱跳，造成了光能的损失。清除“捣乱分子”，对制造光纤的材料进行格的化学提纯，就可以大大降低损耗。
　　石英光纤中的另一个吸收源是氢氧根（OHˉ) 期的研究，人们发现氢氧根在光纤工作波段上有三个吸收峰，它们分别是0.95μm、1.24μm和1.38μm，其中1.38μm波长的吸收损耗为严重，对光纤的影响也大。在1.38μm波长，含量仅占0.0001的氢氧根产生的吸收峰损耗就高达33dB/km。
　　那么，这些氢氧根是从哪里来的呢？氢氧根的来源很多，一是制造光纤的材料中有水分和氢氧化合物，这些氢氧化合物在原料提纯过程中不易被清除掉，后仍以氢氧根的形式残留在光纤中；二是制造光纤的氢氧物中含有少量的水分；三是光纤的制造过程中因化学反应而生成了水；四是外界空气的进入带来了水蒸气。然而，现在的制造工艺已经发展到了相当高的水平，氢氧根的含量已经降到了足够低的程度，它对光纤的影响可以忽略不计了，即在各种器件中，粗波分复用器、光纤跳线、PLC光分路器等的影响可以忽略不计。