电磁波在不同介质中传播时，其特性往往具有很强的选择性。这一点在石英光纤中表现得非常明显。尽管电磁波谱范围极广，包含了从微波到伽马射线的各种辐射，但光纤通信实际能有效工作的光波段，却被限制在近红外区域一个很窄的范围内。
如下图所示，这个特定的低损耗区域，就是光纤通信的“传输窗口”。
红色箭头所在波谱范围，主要是由石英材料的本征吸收特性（紫外电子吸收、红外振动吸收）和瑞利散射损耗共同决定。
理解损耗机制需要明确光子能量（E）与其波长（λ）的关系。光子作为能量量子，其能量与电磁波的频率（ν）成正比
- E：光子能量（单位：焦耳 J 或 电子伏特 eV）；
- h：普朗克常数；
- c：真空光速（3×108m/s3×108m/s）；
- λ：光子波长（单位：m）。
物理本质：光子作为能量量子，其能量与电磁波的频率 ν成正比（E=hν）。由于波长与频率满足 c=λν，能量即与波长成反比。
石英玻璃（光纤核心材料）对光的衰减机制主要源于三类物理效应：
1. 电子吸收，当光子能量 > 9 eV（波长 < 138 nm）时，光子可激发价带电子跃迁至导带，导致强烈的光吸收，例如在 200 nm 波长附近，损耗可高达数千 dB/km 以上。由于光纤通信工作波长远大于此，该机制的影响可忽略。
2. 分子振动吸收，当光子能量匹配分子键振动能级时发生。比如说1383 nm处OH键强烈共振（如特别高的减速带）导致强烈的羟基吸收峰。
3. 还有大于1600 nm时Si-O键振动耗能（如同公路上的连续减速带群），导致的多声子吸收。
怎么来通俗的理解上面说的三点呢？咱们就想象光纤是条高速公路，光就是上面跑的卡车。
第1关：超高墙（深紫外吸收）
- 关卡位置：138纳米之前（比紫色光还短10倍）;
- 关卡原理：9米高的砖墙（对应9eV能量）;
- 卡车遭遇：只有超级跑车（深紫外光）能撞墙通过，但会车毁人亡（光能被完全吸收）;
- 现实影响：日常通信的光根本不到这里，完全不用管.
第2关：连续减速带（红外振动吸收）
- 关卡位置：1600纳米之后（比红色光波长2倍）;
- 关卡原理：密集的橡胶减速带（对应分子键振动）;
- 卡车遭遇：
- 1383纳米处：有个特别高的减速带（羟基吸收峰）;
- >1600纳米：越来越密的减速带（多声子吸收）;
- 现实对策：要么绕开，要么消除.
第3关：随机浓雾（散射损耗）
- 浓雾位置：整条公路都有，但短波区更浓；
- 浓雾原理：
- 400-1600nm段：薄雾（瑞利散射），蓝光区最浓（∝ 1/λ⁴）；
- 缺陷路段：局部沙尘暴（米氏散射，现代光纤很少）；
- 卡车遭遇：光线像卡车偏离车道，能量逐渐丢失。
结合上面提到的关键数据，我们整理成下表：
需要强调的是，光纤通信系统是一个整体。传输窗口的选择不仅取决于光纤本身的损耗特性，还必须与光源的发射波长以及探测器的响应波长范围相匹配。
因此，在上面的张表中我增加了850nm和1127nm两个节点，主要是基于光源/探测器的匹配方面考虑.
从而就有了下面的这张经典图示：
1970年代初期，随着光纤材料提纯技术的突破（特别是降低羟基含量），光纤在短波长波段（800–900 nm）的损耗首次降至20 dB/km以下。该波段因其最早实现实用化而被确立为“第一窗口”，主要应用于多模光纤系统。
当时，技术最成熟且经济实用的光源是砷化镓（GaAs）发光二极管（LED）。GaAs作为直接带隙半导体，其室温带隙能量约为1.42–1.43 eV。根据半导体带隙与发光波长的近似关系式，其截止波长公式：
代入 Eg=1.43eV，计算得 λ≈867nm，接近850 nm波段。不过这里的850nm的光我们甚至可以说它不是激光，只是普通的LED光。
我在有的文章中看到说光通信的第一窗口是配合LED做的设计，并不完全苟同。个人认为:
第1层是物理限制：GaAs材料的带隙决定了LED只能发850nm附近的光，这是自然规律；砷化镓（GaAs） 作为唯一可商用的可见光/近红外LED材料（1970年代），其本征带隙（1.42 eV） 通过量子力学强制约束发光波长于 850 nm 附近（计算：λ=1240/1.42≈870 nm）。此乃自然法则，人类无法改变。
第2层是材料工程：早期石英光纤在850nm虽不是最低损耗（0.4dB/km），但比650nm红光损耗低10倍，这是唯一可行方案；若用1300 nm（理论上损耗更低），但当时无商用红外LED，且InGaAs探测器成本10倍于Si PD探测器。
第3层是系统妥协：大芯径多模光纤本质是为匹配LED的发光面积和发散角做的牺牲，否则根本无法耦合光功率。
LED具有较大的发光面积和宽发散角，因此需要匹配大芯径（对应大的模场直径MFD）的多模光纤，才能有效地收集和传输其发出的光功率。
总的来说用下面一张逻辑图表述：
关于这张图中的一些术语通俗解释如数值孔径、模间色散等，将在后续文章中专门来写。
即便在激光器主导的今天，850 nm + 多模光纤仍是短距核心方案，因其继承LED时代的两大基因：
- VCSEL激光器：延续GaAs材料体系，仍在850 nm效率最高
- 成本结构：多模光纤系统成本是单模的 1/4（2023 LightCounting数据）
我们接着说1127nm和1260nm，可能会有人会问，这么突然为什么会突然出现1260nm？
先来解释1127nm是怎么来的。这就得提一下硅（Si）光电探测器的带隙（不是光纤SiO2的带隙）。 硅在室温下的带隙能量为 1.12 eV，是硅本征吸收的理论截止点。同样使用上面的截止波长公式计算：
λc≈1107 nm
注意：工程中常取近似值 Eg≈1.1 eV，此时 λc≈1127 nm。这个数值可以理解为硅芯片厂的安检门（探测器特性），但与光纤公路无关。
虽然硅的工程上截止波长是1127 nm，但 Urbach拖尾导致1127–1260 nm区间存在严重问题，这意味着，波长大于1127 nm的光子，其能量不足以激发硅中的电子跨越带隙，探测器响应度理论上应降为零。
我们在前面就提到过，光纤通信的传输窗口需要考虑光纤的损耗以及光源/光探测器的性能，因此为了兼顾避短波侧的探测器电子吸收拖尾，工程界将通信O波段的窗口起点从理论最小值1127 nm移动至1260 nm。
最后本小节我用一张表格总结：
根据上面所述内容，就有了第一窗口850nm（多模光纤使用）、第二窗口1310nm（单模光纤使用）和第三窗口1550nm（单模光纤使用）。这三个是最传统、最常用的窗口。
其中，ITU-T又将光纤通信波段划分为O、E、S、C、L、U六个波段，覆盖范围更广。其中O波段是1260-1360nm，对应第二窗口；C波段是1530-1565nm，对应第三窗口；L波段是1565-1625nm，称为第四窗口；E波段是1360-1460nm，称为第五窗口。