2. QKD光纤链路基础与损耗来源总览
在QKD系统中，光纤链路不仅是传输量子信号的物理介质，更是决定成码率与最大安全距离的关键约束。与经典光通信不同，QKD链路中传输的是单光子级（或弱相干态）量子信号，任何微小的额外损耗都会直接压缩探测端的有效计数率，进而影响成码率甚至导致协议无法运行。因此，在动手做链路预算之前，必须先建立一张清晰的"损耗地图"：光从发送端Alice出发，经过哪些环节、每个环节贡献多少损耗、哪些是固定不可变的、哪些是可以通过工程手段优化的。
本节从物理机理出发，系统梳理QKD光纤链路的五类主要损耗来源：光纤本征衰减、连接器与熔接点损耗、分束/波分复用器件插损、环境与弯曲附加损耗，以及器件与光纤接口不匹配损耗。理解这些损耗的物理本质和量级范围，是后续精确预算与链路评估的基础。
一、光纤本征衰减：链路损耗的主体
光纤衰减源于材料吸收与瑞利散射两大机理。在石英光纤中，红外波段的吸收峰主要来自OH⁻根离子（约1383nm处）和硅氧四面体的多声子吸收（1550nm以上逐渐增强）；瑞利散射则与波长的四次方成反比，是短波长段损耗较高的主因。标准单模光纤（G.652.D）在1550nm窗口的典型衰减为0.18～0.22 dB/km，在1310nm窗口约为0.32～0.35 dB/km。QKD系统通常工作在1550nm通信波段，既可利用低损耗窗口，也便于与经典光通信波分复用。
需要特别注意的是，QKD链路中光纤衰减对成码率的影响并非线性。以BB84协议为例，探测端单光子计数率随总损耗呈指数下降，而暗计数与误码率相对上升，因此链路预算必须为探测器暗计数、协议效率等留出裕量，不能简单按"损耗多少dB就减多少距离"来估算。
二、连接器与熔接点损耗
实际链路中，光纤并非一根到底，而是由多段光缆通过熔接或连接器串联而成。每个熔接点的典型损耗为0.02～0.1 dB，优质熔接可控制在0.05 dB以内；每个活动连接器（如LC/PC、SC/APC）的插入损耗通常为0.2～0.5 dB，且受端面清洁度、对准精度影响较大。一条100km的链路若由10段光缆组成，仅熔接点就可能贡献0.5～1.0 dB损耗；若中间经过多个配线架和活动连接器，连接器损耗可能累计到2～3 dB，这在长距离QKD预算中不可忽视。
工程上应尽量采用熔接替代活动连接器，减少可拆卸节点；对必须保留的连接器，应选用APC端面（回波损耗更优）并严格执行端面清洁与检测流程。连接器损耗的离散性较大，预算时应按上限取值，避免"平均损耗"掩盖个别劣化节点。
三、分束/波分复用器件插损
QKD系统常需要与经典通信共纤传输，或在多用户场景中使用分束器。波分复用器（WDM）的插入损耗典型值为0.5～1.5 dB（取决于通道数与工艺），分束器（BS）则按分光比产生固有分配损耗：1:2分束器每路至少3 dB，1:4分束器每路至少6 dB。此外，WDM器件的隔离度、偏振相关损耗（PDL）也会影响量子信号的偏振态稳定性，在偏振编码QKD中需额外关注。
在链路预算中，WDM插损应按实际选型手册的典型值加一定裕量计入；分束器则需区分"分配损耗"与"额外插损"，前者是分光比决定的固有损耗，后者是器件工艺引入的附加损耗（通常0.3～0.8 dB）。
四、环境与弯曲附加损耗
光纤在施工和运行中不可避免地存在弯曲。当弯曲半径小于临界值时，部分光功率会从纤芯泄漏到包层，形成宏弯损耗。G.652光纤在1550nm处，弯曲半径小于30mm时损耗开始明显上升；半径10mm时单圈损耗可达0.5 dB以上。此外，温度变化引起的微弯、光缆受力不均、接头盒内盘纤半径过小，都是附加损耗的常见来源。对于架空或管道敷设的长距离QKD链路，环境附加损耗通常按0.05～0.2 dB/km预留，具体取决于敷设条件。
五、器件与光纤接口不匹配损耗
这类损耗容易被忽视但影响显著。主要包括：模场直径（MFD）不匹配——不同型号光纤熔接时，MFD差异会导致熔接损耗增大；数值孔径（NA）不匹配——光源与光纤耦合时，NA不匹配造成耦合效率下降；偏振态失配——偏振编码QKD中，器件偏振轴与光纤偏振轴未对准会引入额外损耗和误码；以及光纤与探测器、调制器接口的耦合损耗。工程上应尽量保持全链路光纤型号一致，接口处使用匹配的尾纤和法兰，偏振器件前加装偏振控制器进行对准。
六、把五类损耗串成一条预算链
把上述五类损耗按链路顺序串联，就得到QKD链路的总损耗预算模型。以一条典型的城际QKD链路为例（以下为教学示例参数，非实测结果）：Alice到Bob光纤长度80km，采用G.652.D光纤，1550nm衰减取0.20 dB/km，则光纤本征损耗为16.0 dB；链路含8个熔接点，按0.05 dB/个计为0.4 dB；两端各1个活动连接器，按0.3 dB/个计为0.6 dB；中间经过1个WDM器件，插损取1.0 dB；环境与弯曲附加损耗按0.1 dB/km预留，计8.0 dB；接口不匹配损耗按0.3 dB预留。合计总损耗约为26.3 dB。
这个数字意味着什么？若Bob端单光子探测器在无损耗时的计数率为1 Mcps，则经过26.3 dB（约426倍）衰减后，到达探测器的信号计数率仅约2.3 kcps，再扣除探测器效率（如10%～30%）和协议筛选效率，最终成码率将非常有限。这正是为什么长距离QKD必须精打细算每一分贝损耗——每节省1 dB，就相当于多获得约5km的传输距离（按0.2 dB/km计）。
七、工程实践中的损耗控制要点
控制QKD链路损耗，核心思路是"减少节点、匹配接口、优化敷设"。具体而言：光缆段尽量长、熔接点尽量少，熔接后逐点测试并记录损耗值；活动连接器仅保留在设备接口和必要的配线处，端面清洁后立即加盖防尘帽；WDM和分束器选型时优先考虑低插损、低PDL型号，并在偏振编码系统中确认偏振轴对准；敷设时控制弯曲半径不小于30mm，接头盒内盘纤半径不小于40mm，避免光纤长期受力；全链路尽量使用同一型号光纤，接口处使用匹配尾纤，偏振器件前加装偏振控制器进行对准调试。
链路开通后，应使用光时域反射仪（OTDR）逐段测量，将实测损耗与预算表逐项比对。若某段实测值明显高于预算，优先排查该段的熔接质量、连接器端面和弯曲情况。只有把预算表与实测数据形成闭环，损耗预算才真正成为可指导工程决策的工具，而不是纸面数字。