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光纤的传输特性光纤的传输特性包括损耗、色散、衰减、偏振和非线性效应等，其中，损耗和色散是光纤最重要的传输特性。
损耗限制系统的传输距离，色散限制系统的传输容量。
（1）光纤的损耗特性。
在光发射机和接收机之间由光缆吸收、反射、散射和辐射的信号功率被认为是损耗。
光纤损耗是光纤传输系统中限制中继距离的主要因素之一。
下表列出了3种石英光纤的典型损耗值。
（2）光纤的色散特性。
色散是光纤的一个重要参数，它会引起传输信号的畸变，使通信质量变差，限制通信容量与距离，特别是对高速和长距离光纤通信系统的影响更为突出。
光纤色散的产生涉及多方面的原因，这里只介绍模式色散、材料色散和波导色散。
①模式色散。
模式色散是指光在多模光纤中传输时会存在许多种传播模式，因为每种传播模式在传输过程中都具有不同的轴向传输速度，所以虽然在输入端同时发送光脉冲信号，但光脉冲信号到达接收端的时间却不同，于是产生了时延，使光脉冲发生展宽与畸变。
②材料色散。
材料色散是由构成纤芯的材料对不同波长的光波所呈现的不同折射率造成的，波长短则折射率大，波长长则折射率小。
就目前的技术水平而言，光源尚不能达到严格单频发射的程度，因此无论谱线宽度多么狭窄的光源器件，它所发出的光也会包含多根谱线（多种频率成分），只不过光波长的数量以及各光波长的功率所占的比例不同而已。
每根谱线都会受到光纤色散的作用，而接收端不可能对每根谱线受光纤色散作用所造成的畸变进行理想均衡，故会产生脉冲展宽现象。
③波导色散。
波导色散是指由光纤的波导结构对不同波长的光产生的色散作用。
波导结构是指光纤的纤芯与包层直径的大小、光纤的横截面折射率分布规律等。
这种色散通常很小，可以忽略不计。
一、实验目的1. 了解光纤的基本结构和组成，掌握光纤的基本特性。
2. 研究光纤的传输特性，包括损耗、色散和带宽等。
3. 掌握光纤连接与测试方法，提高实验操作技能。
二、实验原理光纤是一种利用光的全反射原理进行光信号传输的介质。
它主要由纤芯、包层和护套组成。
光纤的传输特性主要取决于纤芯和包层的折射率分布。
三、实验仪器与材料1. 光纤测试仪2. 光纤连接器3. 光纤跳线4. 光源5. 光功率计6. 光纤测试软件四、实验步骤1. 光纤连接与测试（1）将光纤连接器连接到光纤跳线两端。
（2）将光纤跳线的一端连接到光源，另一端连接到光纤测试仪。
（3）使用光纤测试仪测试光纤的损耗、色散和带宽等参数。
2. 光纤损耗测试（1）调整光源输出功率，记录光纤测试仪显示的光功率。
（2）将光纤跳线插入测试仪，再次记录光功率。
（3）计算光纤损耗：损耗 = (P1 - P2) / P1，其中P1为光源输出功率，P2为光纤输出功率。
3. 光纤色散测试（1）使用不同波长的光源，如850nm和1310nm，进行测试。
（2）记录光纤测试仪显示的光功率。
（3）计算光纤色散：色散= (ΔP1 - ΔP2) / Δλ，其中ΔP1和ΔP2分别为不同波长下的光纤损耗，Δλ为波长差。
4. 光纤带宽测试（1）使用不同频率的信号源，如10GHz和20GHz，进行测试。
（2）记录光纤测试仪显示的光功率。
（3）计算光纤带宽：带宽 = (P2 - P1) / P1，其中P1为低频信号下的光纤损耗，P2为高频信号下的光纤损耗。
五、实验结果与分析1. 光纤损耗测试结果显示，实验所用光纤的损耗在1.5dB/km左右。
2. 光纤色散测试结果显示，实验所用光纤的色散在0.1ps/nm·km左右。
3. 光纤带宽测试结果显示，实验所用光纤的带宽在20GHz左右。
六、实验结论1. 通过实验，我们了解了光纤的基本结构和组成，掌握了光纤的基本特性。
2. 光纤的损耗、色散和带宽等参数对光纤传输性能具有重要影响。
光纤的基本特性衰耗、色散1、光纤的损耗光纤的衰减或损耗是一个非常重要的、对光信号的传播产生制约作用的特性。
光纤的损耗限制了没有光放大的光信号的传播距离。
光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。
1）吸收损耗光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的，包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收。
a:红外和紫外吸收损耗光纤材料组成的原子系统中，一些处于｛氐能的电子会吸收光波能量而跃迁到高能级状态，这种吸收的中心波长在紫外的0.16μm处，吸收峰很强，其尾巴延伸到光纤通信波段，在短波长区，吸收峰值达ldB/km,在长波长区则小得多，约O.O5dB∕km.在红外波段光纤基质材料石英玻璃的Si-O键因振动吸收能量，这种吸收带损耗在9.1μm,12.5μm及21μm处峰值可达IOdB∕km以上,因此构成了石英光纤工作波长的上限。
红外吸收带的带尾也向光纤通信波段延伸。
但影响小于紫外吸收带。
在λ=L55μm时，由红外吸收引起的损耗小于0.01dB∕kmβb:氢氧根离子（OH-）吸收损耗在石英光纤中，O-H键的基本谐振波长为2.73μm,与Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤的传输频带内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24及0.95μm波长上，在峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个传输窗口。
目前,由于工艺的改进,降低了氢氧根离子（OH-）浓度，这些吸收峰的影响已很小。
c:金属离子吸收损耗光纤材料中的金属杂质，如：金属离子铁（Fe3+）、铜（Cu2+）、镒（Mn3+）、镇（Ni3+）、钻（Co3+）、铭（Cr3+）等,它们的电子结构产生边带吸收峰（0.5~Llμm）,造成损耗。
现在由于工艺的改进，使这些杂质的含量低于10-9以下，因此它们的影响已很小。
在光纤材料中的杂质如氢氧根离子（OH・）、过渡金属离子（铜、铁、铭等）对光的吸收能力极强，它们是产生光纤损耗的主要因素。
因此要想获得低损耗光纤，必须对制造光纤用的原材料二氧化硅等进行十分严格的化学提纯，使其纯度达99.9999%以上。
光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性，色散特性和非线性效应。
光纤的损耗特性*************************************************************概念：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加光功率逐渐下降。
衡量光纤损耗特性的参数：光纤的衰减系数〔损耗系数〕，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，单位为dB／km。
其表达式为：式中求得波长在λ 处的衰减系数； Pi 表示输入光纤的功率， Po 表示输出光功率， L 为光纤的长度。
（1）光纤的损耗特性曲线•损耗直接关系到光纤通信系统的传输距离，是光纤最重要的传输特性之一。
自光纤问世以来，人们在降低光纤损耗方面做了大量的工作，1.31μm光纤的损耗值在0．5dB/km以下，而1.55μm的损耗为0.2dB/km以下，接近了光纤损耗的理论极限。
总的损耗随波长变化的曲线，叫做光纤的损耗特性曲线—损耗谱。
•从图中可以看到三个低损耗“窗口〞：850nm波段—短波长波段、1310nm波段和1550nm波段—长波长波段。
目前光纤通信系统主要工作在1310nm波段和1550nm波段上。
（2）光纤的损耗因素光纤损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗，还有来自光纤结构的不完善。
这些损耗又可以归纳以下几种：1、光纤的吸收损耗光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，把光能以热能的形式消耗于光纤中，是光纤损耗中重要的损耗。
包括：本征吸收损耗；杂质离子引起的损耗；原子缺陷吸收损耗。
2、光纤的散射损耗光纤部的散射，会减小传输的功率，产生损耗。
散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纤材料部的密度和成份变化而引起的。
物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀，这种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。
光在传输时遇到这些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生散射，引起损耗。
另外，光纤中含有的氧化物浓度不均匀以与掺杂不均匀也会引起散射，产生损耗。
光纤特性
清华大学物理电子学实验
一、实验目的
1：同感显微镜观察光纤结构
2：掌握光纤传输损耗特性
3：利用光纤弯曲损耗性质设计光纤衰减器
二、实验原理
1.光纤的结构
按传输的模式数量可分为单模光纤和多模光纤。
单模光纤：只能传输一种模式(基模)多模光纤：能同时传输多种模式的光纤模光纤单模光纤和多模光纤的纤芯的尺寸和纤芯-包层的折射率差值不同。
多模光纤的纤芯直径大，直径2a=50~500µm，纤芯-包层折射率差大，∆=(n1-n2)/n1=0.01~0.02。
用于通信的多模光纤有两种：纤芯直径为50µm和62.5µm。
通信用单模光纤纤芯直径一般为9µm。
按纤芯折射率分布的方式可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。
阶跃折射率光纤：纤芯折射率是均匀的，在纤芯和包层的分界面处折射率发生突变；渐变折射率光纤：折射率是按一定的函数关系随光纤中心径向距离而变化。
2.光纤的传光原理
子午光线在光纤内应满足全反射条件。
要使光能完全限制在光纤内传输，则应使
光线在纤芯-包层分界面上的入射角ψ大于等于临界角ψ0。
定义：子午面内数值
孔径：NA=n0sinϕ0
3.光纤的损耗特性
光纤的实用化和发展过程一直是围绕着降低损耗来进行的。
从二十世纪60年代到80年代，光纤损耗从100dB/km 减小到0.2dB/km，由于受到光纤制造工艺和光纤材料固有因素的影响，损耗是不可消除的。
各种损耗引起的功率衰减通常定义为(单位为分贝, dB)
其中Pi、Po分别为输入功率和输出功率其损耗主要由材料的吸收损耗和散射损耗确定。
4.弯曲引起的光纤损耗及应用
光纤弯曲时在光纤中传输的导模将由于辐射而损害光功率光纤宏弯曲时，曲率半径大于临界值Rc时，因弯曲引起的附加损耗很小可以忽略不计；小于临界值Rc时，附加损耗按指数规律迅速增加。
单模光纤的临界半径Rc的表达式为：
其中Δ=(n1-n2)/n1为相对折射率，λc为光纤截止波长
三、实验技术
1.光纤端面显微观测
2.光纤熔接
3.光纤损耗的测量
四、器材
多波长半导体激光器、光功率计、显微镜、被测光纤、光法兰、光跳
线、光纤切割刀等等。
五、实验任务
1.利用显微镜观察单模光纤与多模光纤的端面结构并测量其几何尺寸
取一小段光纤（约20cm），将其前端处理成垂直且平整，固定在夹具上，置于显微镜聚焦平面上，调节显微镜，使其在电脑屏幕上显示清晰的光纤端面图像。
存储图片作为实验数据记录，利用看图软件，测出光纤的包层与芯层直径。
2.测量光纤的损耗与损耗系数
利用插入损耗法，测量轮子上的光纤在1550nm和1310nm两种波长下的损耗，根据光纤长度，计算出被测光纤的损耗系数
3.研究光纤的弯曲损耗特性并设计一个光纤衰减器
取一段单模光纤，按图设计制作一个多圈的基于光纤宏弯损耗的衰减器。
用胶带固定，压缩光圈，改变其两端的曲率半径，观察其损耗大小的变化。
将做好的光纤圈的光纤两端各焊接一段光纤接头。
将光纤圈放入衰减器支架，调节旋钮，制成一个可调光衰减器。
测量设计的光衰减器在1550波长下的损耗范围，记录最小损耗值与最大损耗值，计算出损耗范围，尽量减小最低损耗，同时使衰减器动态范围达到40dB.
六、实验数据记录与处理
1.测量单模光纤与多模光纤芯层直径
（1）单模光纤
包层直径：2d=125um；芯层直径：2a=9.12um
（2）多模光纤
包层直径：2d=125um;芯层直径：2a=61.84um
在计算机中得出的图像分别如下：
2.测量光纤的损耗与损耗系数
（1）：数据记录：
光纤长度：L=25.2Km
在λ=1310nm波长下：
P1 (λ)=0.84dBm；P2(λ)=-7.89dBm
在λ=1550nm波长下：
P1 (λ)=1.76dBm；P2(λ)=-4.38dBm
（2）：数据处理
当λ=1310nm时：
损耗A（λ）=P1（λ）-P2（λ）=8.37dB
损耗系数æ（λ）=A(λ)/L=0.35dB/Km
当λ=1550nm时：
损耗A（λ）=P1（λ）-P2（λ）=6.14dB
损耗系数æ（λ）=A(λ)/L=0.24dB/Km
3.研究光纤的宏弯特性并且设计光纤衰减器
当加入当λ=1550nm时：
最小损耗值A1（λ）=1.76-（-0.30）=2.03dB
最大损耗值A2（λ）=1.76-（-44.96）=46.72dB
故其动态范围：A=A2（λ）-A1（λ）=44.69dB
此时将输入改变为λ=1310nm，而保持衰减器的弯曲程度不变：
此时，其最大损耗值A2（λ）=-1.01-（-5.20）=4.19dB
有知道其最小损耗值为A1（λ）=-1.01-（-1.69）=0.69dB
故其动态范围：A= A2（λ）- A1（λ）=3.25dB
七、实验总结
因为是第一次实验，是对第一次的对光纤的观测与实验的实践。
对于第一次的焊接光纤的技术再一次考察，其中，对一次只是对光纤焊接，却没有包装，这次好好感受了一把。
还有对于显微镜真心是感受了一把高大上，中学用的显微镜实在是，真心长知识了。
方便，精确。
先前只是知道，光纤弯曲会有损耗，这次可以定量地测量其损耗，对光纤的了解又上了一个层次。
要使功率计稳定下来，确实需要一定的功夫。
所以，导致读数可能没有那么完完全全的精确。
再第三个实验的时候，因为光纤的长度取得很长，本身的损耗就可能比较大，这也是导致有误差的一个原因。
在老师，以及同学的帮助下，顺利地完成本次实验，学到很多东西。
特别是对于精密仪器，及精密量的测量有深刻的认识。
附：实验原始数据。
