不平等的买路钱

七、不平等的买路钱——光纤损耗和色散

如果光信号在光纤中传递，不管传递多远，一点都没有损耗，那么我们就可以轻而易举地实现长距离通信了。

遗憾的是，这不可能。

所以，用光来长距离通信就没那么简单。尽管如此，我们还是可以设法减小损耗，或者根据损耗的大小，采取其他措施弥补。

光纤就是一条路，只要信号在其中传输，功率就会不断减小，这种“买路钱”就是损耗。

不过，光纤征收“买路钱”，并非一视同仁，却要因“人”而异。也就是说，对于同一种光纤而言，波长不同的光信号在里面传输，有的功率损耗较大，有的损耗较小。

以石英光纤为例，不同波长的光在里面传输1千米，损耗的能量不同。当光信号波长为0.85微米左右（或1.3微米左右，1.55微米左右时），石英光纤对这三个波长的光信号征收的“买路钱”相对其他光较少。因此，在光纤通信中，我们一般采用波长在上述三个波段的光信号，以便获得较小的损耗和较长的传输距离。这三个波段，也被称为石英光纤通信系统的三个“窗口”。

光纤的损耗主要包括三种：

第一种是辐射损耗。因为光本质上也是一种电磁波，当光纤发生弯曲时，就会产生电磁场的辐射，损失一部分能量。严重的时候甚至会使得信号传输中断。

第二种是吸收损耗，就是制造光纤的材料吸收一部分信号能量造成的损耗。光纤的主要成分石英（SiO₂）会吸收光波能量，这种吸收称为本征吸收；而光纤里面包含的杂质，如金属过渡粒子以及水的OH离子，则会大量吸收光波能量，从而对光纤传输造成很大的损耗，叫做杂质吸收。不过，目前由于原材料的改进和制作工艺的增强，已经在很大程度上解决这些杂质造成的损耗干扰了。

第三种是散射损耗，就是由于光纤的不均匀，使得光信号在里面传播时发生散射，一部分能量被散射掉了。引起散射的原因，一是光纤的原材料本身不均匀（主要因为其中包含的杂质不均匀），二是在制造光纤的过程中，造成的光纤几何结构不均匀。

光纤“道路建设”中存在的另一问题是色散。

众所周知，光是一种电磁波，不同颜色的光其波长不同。如可见光中，红光波长较长，紫光波长较短。所有的光在真空中传播的速度都是每秒30万千米。但在其他透明介质中传播，则有不同的速度。

光纤的色散，就是由于不同颜色（不同波长）的光在光纤中传播所用的时间不同，而造成同一束光中不同颜色的成分有先后到达接收端之分，这个时间差导致光脉冲变得更宽，影响通信的效果。

还有另一种，则是由于光纤本身的结构、形状不完善，引起光信号的不同分量传播路径不同而造成的色散，称为波导色散。光纤总的色散，则是这两种色散叠加的结果。

对于不同波长的光成分，在光纤中传播速度的差是一个定值。显然，传播的距离越长，这些成分到达的时间差就越大。有时候短距离通信还不大看得出的色散问题，遇上长距离通信色散问题可就严重了。

此外，既然色散问题是不同波长的光传播速度所不同造成的，那么，如果我们能使发出的光信号仅仅只有一种波长，色散问题就不存在了。当然，现实中不可能制造出这样理想化的唯一波长的光，我们使用的光信号总是包含一定的波长跨度。不过可以尽量使用波长跨度比较窄的光源来进行远距离通信，以减少色散带来的不良影响。例如，半导体发光二极管的光谱线宽度（即光波波长的跨度）较宽，约为40微米，因此适用于短距离的光通信；而半导体激光器的光谱线宽度较窄，只有约1微米，这就适用于长距离的光通信。