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第三章光纤的传输特性 损耗色散成缆

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光纤的传输特性

光纤的传输特性

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。

光纤的损耗和色散

光纤的损耗和色散

具体机理：在黑夜里向空中照射，可以看到 一束光束，人们也曾看到过夜空中的探照 灯发出粗大的光柱。为什么我们会看到这 些光柱呢？这是因为有许多烟雾，灰尘等 微小颗粒浮游于大气之中，光照射在这些 颗粒上，产生了散射，就射向了四面八方， 这个现象是由瑞利首先发现的，所以人们 把这种散射称为瑞利散射。 瑞利散射是怎样产生的呢？原来组成物质的 分子、原子、电子是以某些固有的频率在 振动，并能释放出波长与该振动频率相应 的光。
二 散射损耗
是指光通过密度或折射率不均匀的物质时，除了 在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到 光，这种现象叫做散射。
原因：光纤的材料，形状，散射率分布等的 缺陷或不均匀。 散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的 瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如 气泡)引起的散射产生的。 结构缺陷散射产 生的损耗与波长无关。
• 3.色散平坦光纤（DFF）
有效利用带宽，最好使光纤在整个光纤通信的长波段 （ 1.3um-1.6um）都保持低损耗和低色散。
4. 色散补偿光纤（DCF）
利用一段光纤来消除光纤中由于色散的存在使得光脉 冲信号发生展宽和畸变。能够起这种均衡作用的光纤 称为色散补偿光纤。
作业
1．什么是损耗?光纤中存在哪些损耗?这些损 耗是由什么因素引起的？ 2.什么是色散?光纤中存在哪些色散? 3. 光纤中的信号变化是由哪些因素引起的？这 些因素各导致信号如何变化？
2.非零色散光纤（NZDF）
• 当在一根光纤上同时传输多波长光信号再采用光 放大器时，DSF光纤就会在零色散波长区出现严 重的非线形效应，这样就限制了WDM技术的应用。 • 为了提高多波长WDM系统的传输质量，就考虑 零色散点移动，移到一个低色散区，保证WDM系 统的应用。 • NZDF是指光纤的工作波长移到1.54～1.565μm 范围，不是在1.55um的零色散点内，在此区域内 的色散值较小，约为1.0～4.0PS/km· wm。此范围 内色散和损耗都比较小，而且可采用波分复用技 术。

光纤通信实验报告

光纤通信实验报告

光纤通信实验报告光纤通信是一种使用光信号传输数据的通信技术，它利用了光的高速传输和大带宽的特性，成为了现代通信领域的重要技术之一。

在本次实验中，我们对光纤通信的原理和实验验证进行了深入研究。

实验一: 光的传播特性我们首先对光的传播特性进行了研究。

选择了一根直径较细的光纤，并采用了迎射法和反射法进行传导实验。

通过在纤芯中投射光线，并观察传导的情况，我们验证了光在光纤中的传播路径并没有明显偏向，光线能够相对直线传播。

实验二: 光纤的损耗与色散在光纤通信中，损耗和色散是不可避免的问题。

我们通过实验对光纤中损耗和色散的影响进行了测试。

损耗实验中，我们通过分析在不同长度光纤中传输的光强度，发现随着距离的增加，光强度会逐渐减弱。

这是由于光纤中存在材料吸收和散射等因素造成的。

为了减小损耗，优化光纤的材料和结构是很重要的。

色散实验中，我们将不同波长的光信号通过光纤传输，并测量到达另一端的时间。

实验结果显示，不同波长的光信号到达时间存在差异。

这是由于光纤中折射率随波长变化而引起的色散效应。

为了减小色散，需要采用更先进的技术，如光纤衍生波导和光纤增益等手段。

实验三: 单模光纤与多模光纤光纤通信中，单模光纤和多模光纤是常用的两种类型。

通过实验，我们对这两种光纤的传输特性进行了研究。

我们首先测试了单模光纤。

结果显示，在单模光纤中，光信号会以单一光波传播，因此具有较低的色散和损耗，适用于远距离传输和高速通信。

然后我们进行了多模光纤的实验。

实验结果显示，多模光纤中存在多个模式的光信号传播，由于不同模式间的传播速度不同，会导致严重的色散和损耗问题。

因此，多模光纤适用于近距离传输和低速通信。

结论通过本次光纤通信实验，我们对光纤通信的原理和实际应用有了更深入的了解。

我们发现光纤通信具有高速率、低损耗和大带宽等优势，而不同类型的光纤对于不同的通信需求有着不同的适应性。

然而，我们也看到了光纤通信中存在的一些问题，如损耗、色散和设备成本等。

光纤损耗特性及色散特性

光纤损耗特性及色散特性
本征吸收：是光纤基础材料（SiO2）固有吸收，与波长有关， 对于SiO2石英系光纤，主要有两个吸收带，紫外吸收带和红 光吸收带。 杂质吸收：是由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗， 例如金属过渡离子和水的氢氧根离子吸收电磁能而造成的损 耗。


散射损耗
光在通过密度或折射率等不不均匀的物质时， 除了在光的传播方向以外，在其他方向也可以 看到光，这种现象称为光的散射。 散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分 布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生 散射，由此产生的损耗为散射损耗。 散射损耗中主要是瑞利散射和结构缺陷散射对 光纤通信的影响比较大。
光纤的损耗特性及色散特性
June 2011 Alex Wang
损耗特性
光纤损耗：光波在光纤中传输，随着传输距离 的增加而光功率逐渐下降。 损耗原因：光纤本身损耗、光纤与光源的耦合 损耗以及光纤之间的连接损耗。 本身损耗：吸收损耗和散射损耗

吸收损耗

吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分变 成热能，造成光功率的损失，与光纤材料有关， 主要分为本征吸收和杂质吸收。

瑞利散射
属于光纤的本征散射损耗，主要是由于光纤材 料的折射率随机性变化而引起。 材料折射率变化是由于密度不均匀或内部应力 不均匀而产生。 瑞利散射损耗与光波长的四次方成反比，随波 长的增加而急剧减小，在短波长0.85um处对 损耗的影响最大。

结构缺陷散射

光纤在制作过程中，由于结构缺陷（如光纤中 的气泡、未发生反应的源材料以及纤芯和包层 交界处粗糙），将会产生散射损耗，与波长无 关。

色散的表示方法源自色散的大小用时延差表示。 时延是指信号传输单位长度时所需要的时间。 时延差是指不同速度的信号，传输同样的距离， 需要不同的时间，即各信号的时延不同，这种 时延上的差别，称为时延差。

【精选】光纤通信课后习题解答第3章习题参考答案

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第三章 光纤的传输特性1．简述石英系光纤损耗产生的原因，光纤损耗的理论极限值是由什么决定的？答：（1）（2）光纤损耗的理论极限值是由紫外吸收损耗、红外吸收损耗和瑞利散射决定的。

2．当光在一段长为10km 光纤中传输时，输出端的光功率减小至输入端光功率的一半。

求：光纤的损耗系数α。

解：设输入端光功率为P 1，输出端的光功率为P 2。

则P 1＝2P 2光纤的损耗系数()km dB P P km P P L /3.02lg 1010lg 102221==＝α 3．光纤色散产生的原因有哪些？对数字光纤通信系统有何危害？答：（1）按照色散产生的原因，光纤的色散主要分为：模式（模间）色散、材料色散、波导色散和极化色散。

（2）在数字光纤通信系统中，色散会引起光脉冲展宽，严重时前后脉冲将相互重叠，形成码间干扰，增加误码率，影响了光纤的传输带宽。

因此，色散会限制光纤通信系统的传输容量和中继距离。

4．为什么单模光纤的带宽比多模光纤的带宽大得多？答：光纤的带宽特性是在频域中的表现形式，而色散特性是在时域中的表现形式，即色散越大，带宽越窄。

由于光纤中存在着模式色散、材料色散、波导色散和极化色散四种，并且模式色散>>材料色散＞波导色散＞极化色散。

由于极化色散很小，一般忽略不计。

在多模光纤中，主要存在模式色散、材料色散和波导色散；单模光纤中不存在模式色散，而只存在材料色散和波导色散。

因此，多模光纤的色散比单模光纤的色散大得多，也就是单模光纤的带宽比多模光纤宽得多。

光纤损耗吸收损耗本征吸收杂质吸收原子缺陷吸收紫外吸收 红外吸收氢氧根（OH －）吸收 过渡金属离子吸收散射损耗弯曲损耗5．均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为n 1=1.50，n 2=1.45，光纤的长度L=10km 。

试求：（1）子午光线的最大时延差；（2）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求子午光线的最大时延差。

解：（1） 1sin 21111⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=n n C Ln n C L n CL c M θτ () s 1.72145.150.110350.1105μ=⎪⎭⎫⎝⎛-⨯⨯=km km （2）若将光纤的包层和涂敷层去掉，则n 2=1.01sin 21111⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=n n C Ln n C L n CL c M θτ () s 5210.150.110350.1105μ=⎪⎭⎫⎝⎛-⨯⨯=km km 6．一制造长度为2km 的阶跃型多模光纤，纤芯和包层的折射率分别为n 1=1.47，n 2=1.45，使用工作波长为1.31μm ，光源的谱线宽度Δλ＝3nm ，材料色散系数D m ＝6ps/nm·km ，波导色散τw ＝0，光纤的带宽距离指数γ＝0.8。

光纤-光缆及其传输特性

光纤-光缆及其传输特性

光纤\光缆及其传输特性摘要:在广播电视传输网中,同轴电缆传输系统具有设备简单投资少,接入用户方便,因此它在广播电视传输网的接入网部分和小区域的用户中得到了广泛的应用。

但对于远距离传输而言,同轴电缆传输系统就曝露出致命的弱点。

而光纤的出现恰好弥补了这一缺陷,由于光信号在光缆中的传输衰减极小,很小的光功率便可以在光缆中将其传到很远的地方。

因此光纤在现代社会中被广泛应用。

现就光纤、光缆的概念及其传输特性做一介绍。

关键词:光纤、光缆、传输损耗、传输带宽、光纤性能参数1、光纤光纤是用于传导光的介质光波导。

为了能对光信号进行远距离传输,光纤必须具有两个功能:(1)必须具有较低损耗。

(2)必须满足光波导条件。

为了实现这一功能,光纤通常由纤芯和包层两个二氧化硅层组成,包层的折射率必须小于纤芯的折射率,这样在包层与限制你的临界面便形成一个封闭的全反射面,保证了从纤芯向外射出的光能被完全反射回纤芯。

光纤按其传输光波的模式,可分为多模光纤和单模光纤。

光信号是一种特殊的电磁波,它在光纤中传播与电磁波在电波导中传输一样,同样存在着模式的问题。

多模光纤可以允许光信号以多模式传播,而单模光纤只允许光以基模一种模式传播。

多模光纤中,由于多种模式的光信号传播速度不同,而引起时域脉冲展宽,使其信道带宽受到限制。

由于单模光纤只能传输一种单一模式,所以具有很大的信道带宽。

因此,单模光纤被广泛应用于现代通讯系统中。

2、光缆若将若干根光纤并行使用把它们以一定的形式组合到一起,在其外部加以各种保护套便形成了光缆。

通常使用的架空和直埋式光缆有两种结构形式:中心束管式和层绞式。

中心束管式光缆,使用于光纤芯数较少的场合。

通常12 芯以下光缆使用这种结构形式。

中心束光缆就是将所需数量的光纤并行装入充满纤膏的束管内,形成中心束管。

束管内的光纤可以在纤膏内活动,这样的结构称为松套式结构。

3、光纤的传输特性光纤的传输特性包括传输损耗、光纤的传输带宽以及光纤传输性能参数。

光纤的损耗特性


高阶模功率损耗
(2)
红外吸收损耗是由于光纤中传播的光 波与晶格相互作用时，一部分光波能量 传递给晶格，使其振动加剧，从而引起 的损耗。 Si-O键振动吸收,谐振吸收峰在 9.1、12.5、21 m，尾巴延伸至1.5~1.7 m，造成光纤工作波长的上限。
2. 杂质吸收损耗
光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬 等和OH－。 OH离子吸收： O-H键的基本谐振波长为2.73 m，与Si-O键的谐振波 长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在 1.39、1.24、0.95 m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。 金属离子吸收：金属杂质的电子结构产生的边带吸收峰（0.5~1.1 m)， 目前杂质含量低于10-9，其影响已可忽略。
(2) 波导散射损耗
在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些
随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤 芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光 纤中残留气泡和裂痕等等。
光纤芯径沿轴向不均匀（大于光波长尺度）造成导 模和辐射模间的能量耦合，使能量从导模转移到辐射 模，造成波导散射损耗（又称米氏散射），目前的光 纤制造水平，可将芯径的变动控制到 <1% ，相应的散 射损耗<0.03 dB/km，可以忽略。
1. 任何光纤波导都不可能是完美无缺的， 无论是材料、尺寸、形状和折射率分布 等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引 起光纤传播模式散射性的损耗，由于这 类损耗所引起的损耗功率与传播模式的 功率成线性关系，所以称为线性散射损 耗。
(1)
由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的损 耗称为瑞利散射损耗。 瑞利散射是一种最基本的散射过程， 属于固有散射。瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本 征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。 光纤在加热制造过程中的热骚动，造成材料密度不均匀， 进而造成折射率的不均匀（比光波长小的尺度上的随机变 化），引起光的散射--瑞利散射。大小与4成反比。在1.55 m波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.12~0.16 dB/km，仍 是该波段损耗的主要原因。显然，若能在更长波长区域内 工作，瑞利损耗的影响将会减小（3 m处约0.01 dB/km)， 但受限于石英光纤的材料损耗（红外吸收）。采用新型材 料的光纤可望在远红外区域获得更低的损耗－氟化物光纤。

光纤损耗和色散

先进调制技术
采用更先进的调制技术可以提高光信号的抗干扰能力和传输效率， 进一步降低光纤损耗和色散对通信系统的影响。
智能光网络技术
结合人工智能、大数据等技术，发展智能光网络技术，实现光网络的 自动化管理和优化，提高网络运行效率和资源利用率。
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光纤损耗和色散
contents
目录
• 光纤损耗概述 • 光纤色散概述 • 光纤损耗与色散关系 • 光纤损耗和色散测量方法 • 降低光纤损耗和色散技术 • 光纤损耗和色散应用前景
01 光纤损耗概述
损耗定义及分类
损耗定义
光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射等原因导致的光功 率损失。
损耗分类
根据损耗产生的机理，可分为吸收损耗、散射损耗和辐射损 耗等。
色散影响
色散会导致光信号在传输过程中发生畸变，严重影响通信 质量。在长距离无中继光传输系统中，需要对色散进行有 效的补偿和管理。
系统稳定性要求
长距离无中继光传输系统对设备的稳定性和可靠性要求极 高，需要采取一系列措施来保障系统的长期稳定运行。
未来发展趋势及展望
新型光纤材料研发
随着材料科学的不断进步，研发具有更低损耗、更高带宽的新型光 纤材料将成为未来发展的重要方向。
色散会降低光纤通信系统的带宽，使得系 统无法支持高速率、大容量的数据传输。
03 光纤损耗与色散关系
损耗对色散影响
损耗导致光信号幅度降低
光纤传输过程中，光信号会受到损耗，导致信号幅度逐渐降低。这会影响色散 性能，因为色散是与光信号幅度相关的现象。
不同波长损耗差异
光纤对不同波长的光信号具有不同的损耗特性。这种波长依赖性损耗会导致色 散现象的发生，因为不同波长的光信号在光纤中传播速度不同。

第三章光纤的传输特性 损耗色散成缆

2.

光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、 钴、镍、铜、锰、铬等和OH－。
3.

通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热 激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺 陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸 收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。
3.1.2
1.

任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材 料、尺寸、形状和折射率分布等等，均可能有缺陷或不 均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类 损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关系， 所以称为线性散射损耗。
(1)
射。
瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散 对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞利散射损耗。 值得强调的是：瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和 本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。
3.2.5

极化色散也称为偏振模色散，用τp表示。从本质上 讲属于模式色散，这里仅给出粗略的概念。 单模光纤中可能同时存在 LP01x 和 LP01y 两种基模， 也可能只存在其中一种模式，并且可能由于激励和边界 条件的随机变化而出现这两种模式的交替。

当光纤中存在着双折射现象时，两个极化正交的 LP01x和LP01y模传播常数βx和βy不相等。对于弱导光纤， βy和βx之差可以近似地表示为：
第三章 光纤的传输特性
3.1 光纤的损耗特性
3.2 光纤的色散特性 3.3 成缆对光纤特性的影响
3.4 典型光纤参数
3.1 光纤的损耗特性
3.1.1

吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡 金属离子和氢氧根离子(OH－)等杂质对光的吸收而产生 的损耗，前者是由光纤材料本身的特性所决定的，称为 本征吸收损耗。

光纤的基本特性衰耗、色散

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。

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式中：nx和ny分别为x方向和y方向的折射率。
3.2.6

光纤的总色散为：

值得说明的是，单模光纤一般只给出色散系数D， 其中包含了材料色散和波导色散的共同影响。
3.2.7

光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性。其 中色散特性是在时域中的表现形式，即光脉冲经过光纤 传输后脉冲在时间坐标轴上展宽了多少；而带宽特性是 在频域中的表现形式，在频域中对于调制信号而言，光 纤可以看作是一个低通滤波器，当调制信号的高频分量 通过光纤时，就会受到严重衰减，如图3.12所示。
由材料色散和波导色散引起的波长色散带宽。

波长色散带宽定义为：

式中： Δλ 是光源的谱线宽度，单位是 nm；L 是光 纤的长度，单位是 km；D(λ) 是材料色散和波导色散的 色散系数(即波长色散系数)，单位是ps/(nm· km)，其中 材料色散占主导地位。
3. 链路总带宽对通信容量的影响
而引起的，其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引
起的。
3.1.4

为了衡量一根光纤损耗特性的好坏，在此引入损
耗系数(或称为衰减系数)的概念，即传输单位长度(1km)
光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用α表示损耗 系数，单位是dB/km。用数学表达式表示为：

式中：L为光纤长度，以km为单位；P1和P2分别为 光纤的输入和输出光功率，以mW或μW为单位。

光纤链路总带宽与光纤长度之间的关系要分光纤链 路中间有无接头。对于无接头的一个制造长度的光纤总 带宽BT与其单位公里带宽B BT=B· L-γ 式中：L是光纤的制造长度(km)，γ为带宽距离指数， 它的取值与光纤的剖面分布及模耦合状态有关，一般在 0.5～1.0之间(多模光纤取0.5～0.9，单模光纤γ＝1)。
和G.652光纤相同。 G.655光纤称为非零色散位移光纤，是一种改进的
色散位移光纤。
是光线①和光线②到达终端的时延差。
图3.6 阶跃型光纤的模式色散
2.

在渐变型光纤中合理地设计光纤折射率分布，
使光线在光纤中传播时速度得到补偿，从而模式色散 引起的光脉冲展宽将很小。
3.2.3

一般情况下，材料色散往往是用色散系数这个物 理量来衡量，色散系数定义为单位波长间隔内各频率 成份通过单位长度光纤所产生的色散，用D(λ)表示， 单位是ps/（nm· km）。
2.

光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、 钴、镍、铜、锰、铬等和OH－。
3.

通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热 激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺 陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸 收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。
3.1.2
3.4 典型光纤参数
目前， ITU-T( 国际电信联盟－电信标准化机构 ) 分 别对G.651 光纤、G.652 光纤、G.653光纤、G.654 光纤、 G.655光纤的主要参数特性进行了标准化。

G.651 光纤称为渐变型多模光纤，这种光纤在光纤 通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系 统中。
第三章 光纤的传输特性
3.1 光纤的损耗特性
3.2 光纤的色散特性 3.3 成缆对光纤特性的影响
3.4 典型光纤参数
3.1 光纤的损耗特性
3.1.1

吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡 金属离子和氢氧根离子(OH－)等杂质对光的吸收而产生 的损耗，前者是由光纤材料本身的特性所决定的，称为 本征吸收损耗。
图3.12 光纤的带宽(f为调制信号频率)

通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降一 半(即3dB)时的频率(fc)的大小，定义为光纤的带宽(B)。 由于它是光功率下降 3dB 对应的频率，故也称为 3dB 光 带宽。可用式(3-33)表示。

光功率总是要用光电子器件来检测，而光检测器 输出的电流正比于被检测的光功率，于是：
3.2.5

极化色散也称为偏振模色散，用τp表示。从本质上 讲属于模式色散，这里仅给出粗略的概念。 单模光纤中可能同时存在 LP01x 和 LP01y 两种基模， 也可能只存在其中一种模式，并且可能由于激励和边界 条件的随机变化而出现这两种模式的交替。

当光纤中存在着双折射现象时，两个极化正交的 LP01x和LP01y模传播常数βx和βy不相等。对于弱导光纤， βy和βx之差可以近似地表示为：
制。
G.652 光纤称为常规单模光纤，其特点是在波长
1.31μm处色散为零，系统的传输距离一般只受损耗的限
G.653 光纤称为色散位移光纤，其特点是在波长 1.55μm处色散为零，损耗又最小。

G.654 光纤称为截止波长光纤，其特点是在波长
1.31μm处色散为零，在1.55μm处色散为17～20ps/nm· km，
图3.14 光纤和光缆的温度特征

把光纤制成光缆，温度特性会得到相当大的改善， 如图3.14中的实线所示。
3.

这一点是很显然的。一般光纤的断点强度约为 1 ～ 5kg，而由于光缆结构中加入了加强构件、护套、甚至 铠装层等，因此其断点强度远大于上述值；不仅如此， 光缆的抗侧压、抗冲击和抗扭曲性能都有明显增强。
1.

本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的 吸收方式。
(1)

紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材 料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量 将被电子吸收，从而引起的损耗。
(2)

红外吸收损耗是由于光纤中传播的光波与晶格相 互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧， 从而引起的损耗。
(2) 光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗)

在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一 些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤 芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤 中残留气泡和裂痕等等。
2.

光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤
的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊

弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差Δ 以及光缆的材料和结构。
4.

光纤本身具有良好的温度特性。
3.3.2 成缆对光纤特性的影响
1.

不良的成缆工艺，把光纤制成光缆后，会带来附 加损耗，称之为成缆损耗。
2. 成缆可以改善光纤的温度特性

套塑光纤或带有表面涂层的光纤，它的损耗随温 度变化如图3.14中虚线所示。
2.

在已知材料色散系数的前提下，材料色散的表达 式可根据色散系数的定义导出，材料色散用τm表示。 式(3-25)中：Δλ为光源的谱线宽度，即光功率下降 到峰值光功率一半时所对应的波长范围；L是光纤的传 播长度。

τm(λ)=Dm(λ)· Δλ· L
3.2.4

式 (3-23) 中的第二项与波导的归一化传播常数 b 和 波导的归一化频率V有关，而b和V又都是光纤折射率剖 面结构参数的函数，所以式(3-23)中的第二项称之为波 导色散系数，用Dw(λ)表示。
散射。
3.1.3

光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤 的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一 种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称 为微弯。

在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地 出现弯曲。 微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度 变化时，光纤的纤芯、包层和套塑的热膨胀系数不一致
1.

任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材 料、尺寸、形状和折射率分布等等，均可能有缺陷或不 均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类 损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关系是一种最基本的散射过程，属于固有散 对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞利散射损耗。 值得强调的是：瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和 本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。
3.3 成缆对光纤特性的影响
3.3.1
1.

光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和 横截面积，一般要求大于1km光缆的重量，多数光缆在 100～400kg范围。
2.

光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结 构，多数光缆能承受的最大侧压力在100～400kg/10cm。
3.
3.2 光纤的色散特性
3.2.1
3.2.2
差。
所谓模式色散，用光的射线理论来说，就是由于 轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延
1.

在阶跃型光纤中，传播最快的和最慢的两条光线 分别是沿轴线方向传播的光线①和以临界角θc入射的光 线②，如图 3.6所示。因此，在阶跃型光纤中最大色散

宽。
从式(3-34)中可以看出，3dB光带宽对应于6dB电带
1.

既然脉冲展宽、色散和带宽描述着光纤的同一个 特性，那么它们之间必然存在着一定的联系。
2. 模式畸变带宽和波长色散带宽

由于总色散包括模式色散、材料色散和波导色散， 所以光纤的总带宽也可表示为：

式中：BM是由模式色散引起的模式畸变带宽；Bc是