3. 光纤衰减系数与波长选择

在QKD光纤链路的损耗预算中，衰减系数是最基础也最容易被低估的参数。它不是一个固定常数，而是随波长变化的连续曲线，同时受到光纤类型、弯曲状态、连接质量和环境温度的调制。理解衰减谱的形状，并据此选择工作波长，直接决定了链路能支持多远的密钥分发距离、需要多少台可信中继，以及探测器与调制器能否找到匹配的器件生态。

一、石英光纤的衰减谱：三个窗口与一条曲线

标准单模光纤（G.652.D）的衰减由三部分叠加而成：瑞利散射、红外吸收和紫外吸收，此外还有OH⁻离子在1383nm附近造成的吸收峰（即“水峰”）。瑞利散射与λ⁻⁴成正比，因此短波长端衰减明显更高；红外吸收随波长增大而上升，在1550nm之后逐渐显现。两者共同作用，使衰减曲线在1550nm附近形成全局最低点，典型值为0.18～0.20 dB/km；1310nm处为零色散窗口，衰减约0.32～0.35 dB/km；而850nm多模窗口衰减高达2.5～3.5 dB/km，通常不用于长距离QKD。

按ITU-T波段划分，O波段（1260～1360nm）包含1310nm零色散点，E波段（1360～1460nm）受水峰影响较大，S波段（1460～1530nm）衰减已接近最低，C波段（1530～1565nm）是衰减最低且掺铒放大器成熟的标准窗口，L波段（1565～1625nm）衰减略高但可用带宽宽。对QKD而言，C波段和O波段是最常用的两个选择，原因不仅是损耗，还涉及器件兼容性与量子信号的特殊约束。

二、QKD为何偏爱1550nm与1310nm

1550nm的核心优势是损耗最低。以0.19 dB/km计算，50km光纤的纯传输损耗约9.5dB，而同样长度在1310nm下约16.5dB，相差7dB——在单光子级别，这7dB直接对应密钥率数量级的差异。此外，1550nm与电信C波段器件完全兼容：商用InGaAs/InP单光子探测器、铌酸锂相位调制器、密集波分复用器、光环形器均可直接选用，便于QKD与经典通信共纤复用。

1310nm的价值则在于零色散和硅基器件生态。标准单模光纤在1310nm处色散系数接近0，对于采用相位编码、时间-bin编码且脉冲较窄的QKD系统，色散导致的脉冲展宽更小，干涉可见度更容易保持。同时1310nm处于硅探测器（Si-APD）的响应区间，硅APD的暗计数和后脉冲特性优于InGaAs器件，在短距离（<20～30km）城域网QKD中常被采用。代价是衰减高约0.14 dB/km，且长距离下需要更严格的探测器门控与温控。

三、衰减谱的测量方法

工程上获取某段光纤的衰减谱，最常用的是截断法（cut-back method），这也是IEC 60793-1-40规定的基准方法。操作要点：先测量整段光纤的输出功率P_out(λ)，然后在距注入端约2m处切断光纤，测量短段输出功率P_short(λ)，按下式计算：

α(λ) = [10 / (L1 - L2)] × log10( P_short(λ) / P_out(λ) )   [dB/km]

其中 L1 为原始长度(km)，L2 为截断后长度(km)，
P_short 与 P_out 须在同一注入条件下测得。

截断法精度高，但具有破坏性，适合光缆出厂测试或实验室标定。现场评估更常用光时域反射仪（OTDR）：从一端注入脉冲，利用背向瑞利散射曲线斜率估算衰减系数。OTDR属于单端非破坏测量，但存在盲区、方向性差异和接头处菲涅尔反射干扰，通常需双向测量取平均，且对弯曲损耗的定位比定量更可靠。对于已部署链路，还可采用光频域反射（OFDR）获得更高空间分辨率，或使用可调谐激光器加功率计做扫描式谱测量，但后者要求两端同时操作。

无论哪种方法，测量条件都需记录：注入光功率（避免非线性）、光源线宽、光纤温度、连接器类型与清洁状态。衰减系数对弯曲敏感，1310nm和1550nm在弯曲半径小于10mm时损耗会急剧上升，因此测量时应保持与实际敷设一致的盘纤状态。

四、波长选择如何进入损耗预算

把波长决策落到预算表上，需要把“每公里衰减”换算成“链路总衰减”，再与探测器灵敏度、系统裕量和协议门限对齐。以一个教学示例说明：假设链路长40km，含4个熔接点（每个0.05dB）、2个连接器对（每对0.3dB），设备裕量预留3dB。

若探测器在1550nm下每脉冲可容忍约30dB总损耗、在1310nm下约28dB（示例假设值，实际以器件手册为准），则两种方案均能闭合预算，但1550nm剩余裕量约18.6dB，1310nm仅约11dB。剩余裕量决定了链路老化、温度漂移和维修接头增加后的可用空间。若链路延长到70km，1550nm总衰减约17.3dB仍有余量，而1310nm将达27.1dB，逼近门限，此时波长选择就从“偏好”变成了“约束”。

总结来看，波长选择是衰减系数、器件兼容性、色散特性和共纤约束的多目标折中。工程上建议先按链路长度和探测器类型锁定候选波长，再用实测或厂家提供的衰减谱数据完成预算闭合，最后通过OTDR双向测量验证实际链路衰减是否落在预算假设范围内。只有把“谱”而不是“单点系数”带入预算，损耗评估才具备可复现性和工程可信度。