第3章：光纤的传输特性
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第03章 光波系统中光信号的传输特性
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(2) β3的影响。 当β3≠0，即高阶色散的影响不能忽略时， 经严格分析发现，高斯脉冲在传输过程中不 再保持原高斯脉冲形状，而是形成了一种振 荡 结 构 的 尾 部 。 这 种 脉 冲 就 不 能 用 T0 或 TFWHM 来确切描述其宽度，而通常用均方根 脉宽来描述，它定义为 σ=[<T2>-<T>2]1/2 角括号<>代表对强度分布的平均。
高斯形光脉冲的脉宽与谱宽光波通信系统中大都采用半导体激光器作为光源一般它产生的光脉冲信号是高斯形的而且均伴随不同程度的啁瞅分量可写为exp022100ttjcata?11啁啾?是通信技术有关编码脉冲技术中的一种术语是指对脉冲进行编码时其载频在脉冲持续时间内线性地增加当将脉冲变到音频地会发出一种声音听起来像鸟叫的啁啾声故名啁啾
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图3-2啁啾高斯脉冲展宽因子T1／T0随传输距离z／ LD的变化曲线。(LD=T02/|β2|称为色散长度)。
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对非啁啾脉冲，C=O，脉宽随 [1+(z／LD)2]1/2 成比例展宽，在z=LD处展宽为初始输入脉宽的√2 倍。 对C≠0的啁啾脉冲，在传输过程中，有可能展宽。 亦有可能压窄，这取决于β2与C是同号还是异号。
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为防止色散展宽导致相邻脉冲重叠，展宽脉冲 应限制在所分配的比特时隙(TB)内，而TB =1／B， B为比特率，根据这一准则可求得σ与B的关系。 通常规定: σ≤TB／4或4Bσ≤1，这样至少有95％ 的脉冲能量被限制在比特时隙内。 因此极限比特率为 B≤1／(4σ) 对于很窄的输入脉冲，σ≈σD=|D|Lσλ，则有 B≤l／(4L| D|σλ)
3
3A t
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光纤通信系统与应用(胡庆)复习总结
红色：重点、绿色：了解第1章1、光纤通信的基本概念：以光波为载频，用光纤作为传输介质的通信方式。
光纤通信工作波长在于近红外区：0.85～2.00μm的波长区，对应频率: 167～375THz。
对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即0.85μm、 1.31μm 1.55μm及 1.625μm2、光纤通信系统的基本组成：P5 图1-3目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。
该系统主要由光发送设备（光发射机）、光纤传输线路、光接收设备（光接收机）、光中继器以及各种耦合器件组成。
各部件功能：电发射机：对来自信源的信号进行模/数转换和多路复用处理；光发送设备：实现电/光转换；光接收机：实现光/电转换；光中继器：将经过光纤长距离衰减和畸变后的微弱光信号放大、整形、再生成具有一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信质量。
3、光纤通信的特点：（可参照P1、2）优点：（1），传输容量大。
（2）传输损耗小，中继距离长。
（3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。
（4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。
（5）体积小、重量轻。
（6）原材料来源丰富、价格低廉。
缺点：1）弯曲半径不宜过小；2）不能远距离传输；3）传输过程易发生色散。
4、适用光纤：P11G.652 和G.654：常规单模光纤，色散最小值在1310nm处，衰减最小值在1550nm 处。
常见的结构有阶跃型和下凹型单模光纤。
G.653：色散位移光纤，色散最小值在1550nm处，衰减最小值在1550nm处。
难以克服FWM混频等非线性效应带来的影响。
G.655：非零色散光纤，色散在1310nm处较小，不为0；衰减最小值在1550nm处。
可以尽量克服FWM混频等非线性效应带来的影响。
补充：1、1966年7月，英籍华人（高锟）博士从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性。
光纤通信知识点归纳
第1章概述1、光纤通信的基本概念：利用光导纤维传输光波信号的通信方式。
光纤通信工作波长在于近红外区：0.8～1.8μm的波长区，对应频率: 167～375THz。
对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即0.85μm、1.31μm及1.55μm。
2、光纤通信系统的基本组成：（P2图1-3）目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。
该系统主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成。
1）在点对点的光纤通信系统中，信号的传输过程：由电发射机输出的脉码调制信号送入光接收机，光接收机将电信号转换成光信号耦合进光纤，光接收机将光纤送过来的光信号转换成电信号，然后经过对电信号的处理以后，使其恢复为原来的脉码调制信号送入电接收机，最后由信息宿恢复用户信息。
2）光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管（LD)。
3）光接收机中的重要部件是能够完成光-电转换的光电检测器，目前主要采用光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
特性参数：灵敏度4）一般地，大容量、长距离光纤传输: 单模光纤+半导体激光器LD小容量、短距离光纤传输: 多模光纤+半导体发光二极管LED5）光纤线路系统：功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。
组成：光纤、光纤接头和光纤连接器要求：较小的损耗和色散参数3、光纤通信的特点：优点：（1），传输频带宽，通信容量大。
（2）传输损耗小，中继距离长：石英光纤损耗低达0.19 dB/km，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多。
（3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。
（4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。
（5）体积小、重量轻。
（6）原材料来源丰富、价格低廉。
缺点：1）不能远距离传输；2）传输过程易发生色散。
光纤技术及应用第三章
光纤技术及应用
Optical Fiber Technology and Its Application
2021/7/22
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第3章
光
纤
Optic fiber
2021/7/22
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引言
1、光纤（optic fiber）----是指能够传导光波的圆柱形介质波 导。它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并引 导光波沿着光纤轴线方向传播。
本章介绍光纤的结构与分类、光波在光纤中的传输原理。 第四章讲光纤的传输特性（损耗、色散、偏振、非线性效应）
2021/7/22
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3、光纤的结构、分类 纤芯（芯层）core：其折射率较高 , （用来导光）.
包层coating：其折射率较低，提供在纤芯内发生光全反射的条 件.
保护层jacket——保护光纤不受外界微变应力的作用、防水等作 用。 光纤横截面半径为几十至几百微米，长度从几十厘米到 上千千米。
所以梯度光纤中导模光线的 最大延迟时间为：
ma xmin2nc12
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梯度光纤中导模光线的最大延迟 时间
ma xmin2nc12
与阶跃光纤的最大延迟时间相比较:
max12n c1n1n 2n2n c1
平方律光纤的色散小很多。 （3）梯度光纤的数值孔径 采用近似方法导出：
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将光纤芯层分成许多薄层：每一层内，折射率可近似看成常 数，而且折射率沿径向向外逐层递减
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3.2 光纤的波动光学理论
光纤属于介质圆波导，分析导光原理很复杂， 可用两种理论进行：
w用波动理论讨论导光原理(复杂、精确) w采用射线理论分析导光原理(简单、近似)
Optical Fiber Technology and Its Application
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第3章
光
纤
Optic fiber
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引言
1、光纤（optic fiber）----是指能够传导光波的圆柱形介质波 导。它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并引 导光波沿着光纤轴线方向传播。
本章介绍光纤的结构与分类、光波在光纤中的传输原理。 第四章讲光纤的传输特性（损耗、色散、偏振、非线性效应）
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3、光纤的结构、分类 纤芯（芯层）core：其折射率较高 , （用来导光）.
包层coating：其折射率较低，提供在纤芯内发生光全反射的条 件.
保护层jacket——保护光纤不受外界微变应力的作用、防水等作 用。 光纤横截面半径为几十至几百微米，长度从几十厘米到 上千千米。
所以梯度光纤中导模光线的 最大延迟时间为：
ma xmin2nc12
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梯度光纤中导模光线的最大延迟 时间
ma xmin2nc12
与阶跃光纤的最大延迟时间相比较:
max12n c1n1n 2n2n c1
平方律光纤的色散小很多。 （3）梯度光纤的数值孔径 采用近似方法导出：
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将光纤芯层分成许多薄层：每一层内，折射率可近似看成常 数，而且折射率沿径向向外逐层递减
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3.2 光纤的波动光学理论
光纤属于介质圆波导，分析导光原理很复杂， 可用两种理论进行：
w用波动理论讨论导光原理(复杂、精确) w采用射线理论分析导光原理(简单、近似)
光纤特性及传输试验
光纤特性及传输实验在现代通信技术中，为了避免信号互相干扰，提高通信质量与通信容量，通常用信号对载波进 行调制，用载波传输信号，在接收端再将需要的信号解调还原出来。
不管用什么方式调制，调制后 的载波要占用一定的频带宽度，如音频信号要占用几千赫兹的带宽，模拟电视信号要占用8兆赫兹 的带宽。
载波的频率间隔若小于信号带宽，则不同信号间要互相干扰。
能够用作无线电通信的频率 资源非常有限，国际国内都对通信频率进行统一规划和管理，仍难以满足日益增长的信息需求。
通 信容量与所用载波频率成正比，与波长成反比，目前微波波长能做到厘米量级，在开发应用毫米波 和亚毫米波时遇到了困难。
光波波长比微波短得多，用光波作载波，其潜在的通信容量是微波通信 无法比拟的，光纤通信就是用光波作载波，用光纤传输光信号的通信方式。
与用电缆传输电信号相比，光纤通信具有通信容量大、传输距离长、价格低廉、重量轻、易敷 设、抗干扰、保密性好等优点，已成为固定通信网的主要传输技术，帮助我们的社会成功发展至信 息社会。
实验目的1 . 了解光纤通信的原理及基本特性。
2 .测量半导体激光器的伏安特性，电光转换特性。
3 .测量光电二极管的伏安特性。
4 .基带（幅度）调制传输实验。
5 .频率调制传输实验。
6 .音频信号传输实验。
7 .数字信号传输实验。
实验原理1.光纤光纤是由纤芯、包层、防护层组成的同心圆柱体，横 截面如图1所示。
纤芯与包层材料大多为高纯度的石英玻 璃，通过掺杂使纤芯折射率大于包层折射率，形成一种光 波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输。
若纤芯的 折射率分布是均匀的，在纤芯与包层的界面处折射率突变， 称为阶跃型光纤：若纤芯从中心的高折射率逐渐变到边缘 与包层折射率一致，称为渐变型光纤。
若纤芯直径小于 1011m ，只有一种模式的光波能在光纤中传播，称为单模光纤。
若纤芯直径5011m 左右，有多个模式的光波能在光纤中传播，称为多模光纤。
防护层由缓冲涂层、加强材料涂覆层及套塑层组成。
光纤通信原理-(全套)课件
1.2 光纤通信的主要特性
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载 波的通信系统，其载波—光波具有很高的 频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信 容量。
2. 损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光 纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长 区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他 通信线路的损耗都低得多，因此，由其组 成的光纤通信系统的中继距离也较其它介 质构成的系统长得多。
光纤通信原理
1
第一章 概 述
1.1 光纤通信的发展与现状 1.2 光纤通信的主要特性 1.3 光纤通信系统的组成和分类
1.1 光纤通信的发展与现状
1.1.1 早期的光通信
到了1880年，贝尔发明了第一个光电 话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通 信的开端。
在这里，将弧光灯的恒定光束投射在 话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱 变化的反射光束，这个过程就是调制。
式中：R、T都是复数，包括大小及相
位。其模值分别表示反射波、传递波与入
射波幅度的大小之比；2Ф1、2Ф2是R和T的
相角，分别表示在介质分界面上反射波、 传递波比入射波超前的相位。
3. 平面波的全反射
全反射是一种重要的物理现象，当光 波从光密介质射入光疏介质，且入射角大 于临界角时才能产生全反射，即全反射必
1. 子午射线在阶跃型光纤中的传播
阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常 数n 1的纤芯和折射率为常数n2的包层组 成，并且n1>n2，如图2.6所示。
图2.6 光线在阶跃型光纤中的传播
2. 子午射线在渐变型光纤中的传播
渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于 其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的 增加而递减直到等于包层的折射率。
【精选】光纤通信课后习题解答第3章习题参考答案
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。
光纤思考题
光纤通信第一章：1、什么是光纤通信：光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式2、光纤的主要作用是什么？引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。
Or（单模光纤的纤芯直径为4μm～10μm，适用于高速长途通信系统。
多模光纤的纤芯直径为50μm，适用于低速短距离通信系统）3、与电缆或微波等通信方式相比，光纤通信有何优缺点？光纤通信有何优点：容许频带很宽，传输容量很大 损耗很小，中继距离很长且误码率很小重量轻、体积小丶抗电磁干扰性能好泄漏小，保密性能好 节约金属材料，有利于资源合理使用or与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下：(1)传输频带极宽，通信容量很大(2)由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；(3)串扰小，信号传输质量高；(4)光纤抗电磁干扰，保密性好；(5)光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；(6)耐化学腐蚀；（7)光纤是石英玻璃拉制成形原材料来源丰富4、为什么说使用光纤通信可以节省大量有色金属？5、为什么说光纤通信具有传输频带宽，通信容量大？光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一堆光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输3000多路电话，频带宽对于各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网（B-ISDN）发展的需要。
6、可见光是人眼能看见的光，其波长范围是多少？0.39~0.76μm7、红外线是人眼能看见的光，其波长范围是多少？0.76~300μm8、近红外区：其波长范围是多少？0.76~1.5μm9、光纤通信所用光波的波长范围是多少？0.8~1.6μm10、光纤通信中常用的三个低损耗的窗口的中心波长分别是多少？0.85,1.30,1.55μm第二章：1、典型光纤由几部分组成？各部分的作用是什么？光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成。
其中纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。
光纤技术及应用复习题1~5
《光纤技术及应用》复习题第一章1、写出电场强度和磁场强度在两种介质界面所满足的边界条件方程。
（并会证明）2、TE波、TM波分别指的是什么？3、平面光波发生全反射的条件。
当入射角大于临界角时，入射光能量将全部反射4、古斯-哈恩斯位移指的是什么？其物理本质是什么？证明实际光的反射点离入射点有一段距离，称为古斯-哈恩斯位移。
（相隔约半个波长）实质：光的传播不能简单视为平面光波的行为，必须考虑光是以光束的形式传播，即时空间里的一条极细的光束也是由若干更加细的光线组成的5、写出光线方程，并证明在各向同性介质中光为直线传播。
对于均匀波导，n为常数，光线以直线形式传播第二章1、平板波导的结构，分类。
结构：一般由三层构成：折射率n1中间波导芯层，折射率n2下层介质为衬底，折射率n3上层为覆盖层；n1>n2 , n1>n3。
且一般情况下有n1>n2> n32、均匀平面光波在平板波导中存在的模式有：导模、衬底辐射模、波导辐射模（各有什么特点）。
（入射角与临界角之间的关系以及各种模式相对应的传播常数所满足的条件）P12。
P17-18图满足全反射的光线并不是都能形成导模，还必须满足一定的相位条件。
P13（导模的传输条件）3、在平板波导中TE0模为基模，因为TE0模的截止波长是所有导模中最长的。
P144、非均匀平面光波在平板波导中的模式有：泄露模、消失模5、平板波导中的简正模式具有：稳定性、有序性、叠加性、和正交性。
6、模式的完备性指的是?P24在平板波导中，导模和辐射模构成了一个正交、完备的简正模系，平板波导中的任意光场分布都可以看成这组正交模的线性组合。
7、波导间的模式耦合指的是？P31当两个波导相距很远时，各自均以其模式独立地传播，无相互影响；当两个波导相距很近时，由于包层中场尾部的重叠，将会发生两个波导间的能量交换，称之为波导间的模式耦合。
作业题：2-7、2-8第三章1、什么是光纤？光纤的结构，分类，并画出相应的折射率分布。
光纤的特性
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6. 2 量规R口公差带
• 制造公差和通规公差带位置要素Z是综合考虑了量规的制造工艺水平 和一定的使用寿命，按工件的基本尺寸、公差等级给出的。具体数值 见表6.1。
• 2.验收号规
• 检验部门或用户验收产品时所用的量规。在量规国家标准中，没有单 独规定验收量规的公差带，但规定了量规的使用顺序。
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6. 3 量规设计
• (2)计算工作量规的极限偏差 • ①φ20 H7孔用塞规 • 通规 上偏差=EI+Z+T/2=0+0.0034+0.0012=+0.0046(mm) • 下偏差=EI+Z-T/2=0+0.0034-0.0012=+0.0022(mm) • 磨损极限=EI=0 • 止规 上偏差=ES=+0.0021mm • 下偏差=ES-T=0.021-0.0024=+0.0186(mm)
• 必须指出，只有在保证被检验工件的形状误差不致影响配合性质的前 提下，才允许使用偏离极限尺寸判断原则的量规。
• 选用量规结构型式时,必须考虑工件结构、大小、产量和检验效率等, 图6. 3给出了量规的型式及其应用。
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6. 3 量规设计
• 2.量规极限偏差的计算
• 例6. 1计算φ20H7/f6孔、轴用工作量规的极限偏差 • 解:首先确定被测孔、轴的极限偏差。查第2章极限与配合标准，φ20
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4.1
• 上两式表明，影响光纤系统传输、透过性能的是总损耗。若仅从进入 光纤的光功率考虑计算，即将光纤内的衰减与系统中的耦合损耗分开，
• 在科学研究与工程实用中，通常用对数分贝的标度来定义、计算光纤 的损耗(衰减)。如光纤长度为L，输入光功率为Pin，输出光功率为 Pout，则损耗是量度输出与输入光功率比Pout/Pin 用对数分贝标度方法，则光纤的损耗(衰减)系数A可以用如下单位长 度( km )光纤光功率衰减的分贝数来定义：
6. 2 量规R口公差带
• 制造公差和通规公差带位置要素Z是综合考虑了量规的制造工艺水平 和一定的使用寿命，按工件的基本尺寸、公差等级给出的。具体数值 见表6.1。
• 2.验收号规
• 检验部门或用户验收产品时所用的量规。在量规国家标准中，没有单 独规定验收量规的公差带，但规定了量规的使用顺序。
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6. 3 量规设计
• (2)计算工作量规的极限偏差 • ①φ20 H7孔用塞规 • 通规 上偏差=EI+Z+T/2=0+0.0034+0.0012=+0.0046(mm) • 下偏差=EI+Z-T/2=0+0.0034-0.0012=+0.0022(mm) • 磨损极限=EI=0 • 止规 上偏差=ES=+0.0021mm • 下偏差=ES-T=0.021-0.0024=+0.0186(mm)
• 必须指出，只有在保证被检验工件的形状误差不致影响配合性质的前 提下，才允许使用偏离极限尺寸判断原则的量规。
• 选用量规结构型式时,必须考虑工件结构、大小、产量和检验效率等, 图6. 3给出了量规的型式及其应用。
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6. 3 量规设计
• 2.量规极限偏差的计算
• 例6. 1计算φ20H7/f6孔、轴用工作量规的极限偏差 • 解:首先确定被测孔、轴的极限偏差。查第2章极限与配合标准，φ20
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4.1
• 上两式表明，影响光纤系统传输、透过性能的是总损耗。若仅从进入 光纤的光功率考虑计算，即将光纤内的衰减与系统中的耦合损耗分开，
• 在科学研究与工程实用中，通常用对数分贝的标度来定义、计算光纤 的损耗(衰减)。如光纤长度为L，输入光功率为Pin，输出光功率为 Pout，则损耗是量度输出与输入光功率比Pout/Pin 用对数分贝标度方法，则光纤的损耗(衰减)系数A可以用如下单位长 度( km )光纤光功率衰减的分贝数来定义：
光纤的传输特性
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。
《光纤的传输特性》PPT课件
5
精选ppt
非本征吸收
原材料将在光纤的制造过程中引入杂质，带来较 强的非本征吸收。有害杂质主要有过渡金属离子， 如铁、钴、镍、铜、锰、铬等金属离子和OH－。
OH－吸收峰
6
解决方法： (1)对制造光纤的材料进 行严格的化学提纯，比 如材料达到 99.9999999%的纯度 (2)制造工艺上改进，如 避免使用氢氧焰加热(汽 相轴向沉积法)
0.26
因此可以算出在1320 nm处， 波导色散为：
D w()n c2Vdd 2(V V 2)b1.9
24
精选ppt
标准单模光纤总的模内色散
一般来说材料色散的影响大于波导色散： |Dm| > |Dw|
DDmDw
1320
25
精选ppt
模间色散
多模光纤中不同导模具有不同的传播路径和速度导致了 模间色散。
导致的后果： 造成能量辐射损耗
低阶模功率耦合到高阶模
高阶模功率损耗
减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套
12
精选ppt
宏弯和微弯对损耗的附加影响
基本损耗 宏弯损耗
微弯 损耗
光纤弯曲带来额外损耗
V2 an1 2n2 21/22 aNA
增加，V减少
13
弯曲损耗随模场直径增加显著增加
精选ppt
27
精选ppt
PMD 对传输的影响
28
精选ppt
色散对传输带宽的影响：宽谱光源
比较大的时候，单模光纤带宽：
BSMF1 /T 41D /4L GH z
例：考虑一个工作在1550 nm的系统，光源谱宽为15 nm，使用 标准单模光纤D = 17 ps/km·nm，那么系统带宽和距离乘积：
光传输线路与设备维护(华为版)习题答案要点
第一章光纤通信概述一填空1.华裔学者高锟博士和霍克哈姆科学的预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性。
2.目前光纤通信所使用的频段为电磁频谱上的近红外线。
3.数字光纤通信系统由光发射机、光纤、光接收机构成。
二简答1 光纤通信发展的阶段。
请参考1.12 光纤通信的3个低衰耗波长窗口分别是多少。
0.85μm、1.31μm、1.55μm3个窗口3 简述光纤通信的优点和缺点。
优点：1. 频带宽、通信容量大。
2. 损耗低，传输距离远。
3. 信号串扰小，保密性好。
4. 抗电磁干扰，传输质量佳。
5. 尺寸小、重量轻，便于敷设和传输。
6. 材料来源丰富，环境适应性强。
缺点：1. 光纤性质脆，需要涂覆加以保护。
2. 切断和连接光纤时，需要高精度技术和仪表器具。
3. 光路的分路和耦合不方便。
4.光纤不能输送中继器所需要的电能。
5. 弯曲半径不宜太小。
4 简述光全反射原理。
根据折射理论，光从折射率大的介质进入折射率小的介质时，折射角大于入射角，并随着入射角增大而增大。
当入射角增达到临界角0ϕ时，折射角∠2ϕ=90°，这时光以1ϕ角全反射回去，从能量角度看，折射光能量越来越小，反射光能量越来越大，直到折射光消失。
5 简述光纤通信系统的基本组成。
数字光纤通信系统由光发射机、光纤、光接收机构成。
6 光纤通信系统的主要分类有哪些。
按波长：短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统、超长波长光纤通信系统。
按调制信号形式：模拟光纤通信系统、数字光纤通信系统。
按传输信号的调制方式：直接调制光纤通信系统、间接调制光纤通信系统。
按光纤传导模式数量：多模光纤通信系统、单模光纤通信系统。
其他划分略。
第二章 光纤光缆一 填空1. 光纤的特性主要分为传输特性（损耗和色散）、机械特性、温度特性三种。
2. 非色散位移光纤零色散波长在1310nm ，在波长为1550nm 处衰减最小。
3. 光纤的主要色散主要有模式色散、材料色散、波导色散三种。
4. 光纤主要由纤芯和包层构成，单模光纤芯径一般为10μm ，多模光纤芯径一般在50μm 左右。
光纤的传输特性教案(精)
知识点光纤的传输特性一、教学目标：理解光纤的损耗种类和色散种类及对光纤传输的影响。
二、教学重点、难点：损耗的概念、损耗系数、损耗的种类、色散的概念、色散的种类。
三、教学过程设计：1.知识点说明光纤的传输特性包括损耗特性和色散特性。
2.知识点内容1）光信号在光纤内传播，随着距离的增大，能量会越来越弱，其中一部分能量在光纤内部被吸收，一部分可能突破光纤纤芯的束缚，辐射到了光纤外部，这叫做光纤的传输损耗（或传输衰减）。
2）光纤损耗大致可以分为吸收损耗、散射损耗和其他损耗，光纤损耗在波长λ=1.55μm 时损耗最低。
3）光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。
4）主要包括模式色散、材料色散、波导色散和偏振模色散。
5）对于多模光纤，主要是模式色散。
对于单模光纤，不存在模式色散，主要影响的是材料色散。
6）对于单模光纤来说，在某一波长附近，材料色散和波导色散相互抵消零色散波长，大约是1.31 μm。
3.知识点讲解7）从光纤的传输损耗的概念开始讲解。
8）分析光纤损耗的原因及对传输的影响。
9）讲解光纤色散的概念和种类。
10）分析单模光纤和多模光纤的色散影响因素，单模光纤来说，在1.31 μm材料色散和波导色散相互抵消。
四、课后作业或思考题：1、多模光纤的色散主要是（）A.材料色散B.波导色散C.偏振模色散D.模式色散2、单模光纤零色散的工作波长是（）A.0.85μmB.1.31μmC.1.33μmD.1.55μm3、最低损耗的光纤通信工作波长是（）A.0.85μmB.1.31μmC.1.33μmD.1.55μm4、光纤的损耗包括（）A.附加损耗B.散射损耗C.吸收损耗D.连接损耗E.微弯损耗五、本节小结：光纤的传输特性包括损耗特性和色散特性，光纤损耗在波长λ=1.55μm 时损耗最低，对单模光纤来说，在1.31 μm材料色散和波导色散相互抵消，色散值近似为零。
《光纤通信原理》PPT课件
31
3-1-2 散射损耗
光线通过均匀透明介质时，从侧面是难 以看到光线的，如果介质不均匀，如空 气中漂浮的大量灰尘，我们便可以从侧 面清晰地看到光束的轨迹。这是由于介 质中的不均匀性使光线四面八方散开的 结果，这种现象称之为散射。散射损耗 是以光能的形式把能量辐射出光纤之外 的一种损耗。散射损耗可分为线性散射 损耗和非线性散射损耗。
红外吸收损耗对于波长大于2微米的光 波表现得特别强烈，形成红外吸收带。
29
杂质吸收损耗
杂质吸收损耗可以随杂质浓度的降低 而减小，直至清除。因此得到一个很宽 的低损耗波长窗口，有利于波分复用 （WDM）。
30
原子缺陷吸收损耗
原子缺陷吸收损耗可以通过选用合适的 制造工艺，不同的掺杂材料及含量使之 减小到可以忽略不记的程度。
2
1-1 光纤通信的发展与现状
1-1-1 早期的光通信 几千年前，中国就有火光通信：烽火
台，它是世界上最早的光通信，因为它 具有光通信的基本要素：光源、接受器、 信息加在光波上和光通道。
1880年，贝尔发明了光电话，它是现 代光通信的开端，但由于找不到实用的 传输手段而夭折。
3
1-1-2 光纤通信
3、弯曲特性 弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折
射率差△ 以及光缆的材料和结构。实用光纤的 最小弯曲半径一般为50~70毫米，光缆的最小 弯曲半径一般为500~700毫米，等于或大于光 纤最小弯曲半径的10倍。在以上条件下，光辐 射引起的光纤附加损耗可以忽略，若小于最小 弯曲半径，附加损耗则急剧增加。
1950年曾出现过导光用的玻璃纤维， 但损耗高达1000db/Km，这天文数字的 损耗量，使有人认为光纤传输无实际意 义。
1960年，英籍华人高锟指出：如能将 光纤中过渡金属离子减少到最低限度， 有可能使光纤的损耗减少到1 db/Km，信 息容量可能超过100MHz。
3-1-2 散射损耗
光线通过均匀透明介质时，从侧面是难 以看到光线的，如果介质不均匀，如空 气中漂浮的大量灰尘，我们便可以从侧 面清晰地看到光束的轨迹。这是由于介 质中的不均匀性使光线四面八方散开的 结果，这种现象称之为散射。散射损耗 是以光能的形式把能量辐射出光纤之外 的一种损耗。散射损耗可分为线性散射 损耗和非线性散射损耗。
红外吸收损耗对于波长大于2微米的光 波表现得特别强烈，形成红外吸收带。
29
杂质吸收损耗
杂质吸收损耗可以随杂质浓度的降低 而减小，直至清除。因此得到一个很宽 的低损耗波长窗口，有利于波分复用 （WDM）。
30
原子缺陷吸收损耗
原子缺陷吸收损耗可以通过选用合适的 制造工艺，不同的掺杂材料及含量使之 减小到可以忽略不记的程度。
2
1-1 光纤通信的发展与现状
1-1-1 早期的光通信 几千年前，中国就有火光通信：烽火
台，它是世界上最早的光通信，因为它 具有光通信的基本要素：光源、接受器、 信息加在光波上和光通道。
1880年，贝尔发明了光电话，它是现 代光通信的开端，但由于找不到实用的 传输手段而夭折。
3
1-1-2 光纤通信
3、弯曲特性 弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折
射率差△ 以及光缆的材料和结构。实用光纤的 最小弯曲半径一般为50~70毫米，光缆的最小 弯曲半径一般为500~700毫米，等于或大于光 纤最小弯曲半径的10倍。在以上条件下，光辐 射引起的光纤附加损耗可以忽略，若小于最小 弯曲半径，附加损耗则急剧增加。
1950年曾出现过导光用的玻璃纤维， 但损耗高达1000db/Km，这天文数字的 损耗量，使有人认为光纤传输无实际意 义。
1960年，英籍华人高锟指出：如能将 光纤中过渡金属离子减少到最低限度， 有可能使光纤的损耗减少到1 db/Km，信 息容量可能超过100MHz。
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2
2 1/ 2
传输容量---带宽距离积BL
光源谱宽限制
V 1
2 1/ 2
非零色散点：
0 1 V 2 L / 2 0
2
2 L s
2 0
2 1/ 2
DL
2 0
2 1/ 2
D
2C
2
2
光纤的色散系数
D D0 dD S0 lim 0 0 d
单位：ps/(nm2.km) 给定色散斜率，则零色散区内的色散系数为
D - 0 S0 S0
单模光纤的分类
分类依据：单模光纤的零色散波长 类别：常规型、色散位移型、非零色散型、色散平坦型
色散对光信号包络传播的影响
光纤通信中色散的含义
一切导致因速度差造成光信号包络展宽的因素均被称为 色散
光纤色散对通信的影响
影响链：
色散导致传输的光脉冲展宽 光脉冲展宽导致码间串扰 码间串扰导致系统误码率增大
通信系统需要维持一个足够低的误码率，为此需要降 低码间串扰的程度，可以
为什么工作波长不能选择得更长一些？ 卤化物光纤
氟化物光纤，本征吸收区波长较石英光纤更长一些
最低损耗窗口在2550nm附近 最低损耗低达 0.01~0.001dB/km
难度
超纯原料 微晶体化
光纤损耗的测量
测量方法：剪断法、插入损耗法、背向散射法
剪断法、插入损耗法
偏置电路 被测光纤
2 2 1/ 2
s 高斯光源的均方根谱宽，V 2 s 0 0 初始脉冲宽度
传播距离z以后的脉冲宽度
传输容量---带宽距离积BL
判断依据：接收端光脉冲的均方根宽度不大于 信息比特周期的1/4
TB / 4 1 / 4B
2 z z 1 2 3 2 1 1 V 2 1 V 2 2 8 2 3 0 0 0
(理论极限值0.154dB/km)
使用过程中光纤的损耗变化
变化趋势
损耗增大
原因
热胀冷缩 油膏特性变差 光纤受水分侵蚀
OH-吸收损耗增大 光纤分子缺陷增多
单模与多模光纤损耗对比
单模光纤损耗要小一些
10 SIF 8
km － 1) 损耗 /( dB·
原因包括以下几点：
SMF
2
1
2
v c/n
石英材料： G1=0.6961 G2=0.4079 G3=0.8974 1=0.0684m 2=0.1162m 3=9.8962m
材料色散系数
vg d d
k0 n n 0 0 n / c
dn dn dn dn vg c n k0 c n n N n k0 dk 0 d dk 0 d
单位长度光纤上光信号的群时延：
1 d vg d
c 1/
0 0 , k0 0 0 / c 2 d k0 2 / 2c d
d dk0 1 d dk0 d c dk0
2 d 1 d 2 d 2 2 d 2c d d
d bV dV
b
1
0.5 0 -0.50
d 2 bV V dV 2
0.5
1
1.5
2
2.5
3
单模光纤的色散系数
D( ) Dm ( ) DW ( )
30
20
D Dm
10
0
Dw
-10 1.2
1.3
1.55
1.65
单位：ps/(nm.km)
色散斜率
色散斜率：零色散波长附近总色散系数随波长变化的曲线斜率
第三章 光纤的传输特性
本章内容
光纤中信号的劣化
光纤的损耗特性
光纤的色散特性
单模光纤的非线性
光纤的制造工艺
3.1 光纤中信号的劣化
信号的损伤
任何传输信道均会对信号造成损伤
线性损伤
加性噪声
损耗
外部串扰 信道内部串扰
非线性损伤
信号畸变 乘性噪声
光纤中信号的损伤
光纤损耗的表示方法
光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减：
Pout PineL
可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：
P 10 log in L Pout
dB/km
其中L为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在1550 nm的损耗系 数为0.2 dB/km。
光纤的衰减为A=(VA-VB)/2 (dB)
a
A LAB
dB / km
3.3 光纤的色散
光信号包含不同的频率、模式、偏振分量 色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号 在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决造 同频率的电磁波以不同的相速度和群速度在介质中传 播的物理现象 包络展宽
D 3.5 ps / nm km
SiO2+GeO2 SiO2
SiO2+GeO2 SiO2 SiO2+P2O5+F2
D
G.653(DSF)
单模光纤的分类
1310 1550
色散位移光纤 型号：G.653
(nm)
参数：
零色散波长范围：1.50~1.60μm 色散斜率
问题
如何表示光纤损耗？
光纤损耗的种类及其产生原因是什么？ 如何才能降低光纤的损耗？ 光纤的微弯损耗和宏弯损耗机理是什么？ 光纤在各工作波长段的典型损耗特性如何？ 光纤使用过程中损耗会增大吗？为什么？ 单模光纤的损耗大还是多模光纤的损耗大？为什么？ 光纤的损耗能够更低吗？如何实现？ 光纤的损耗如何测量？
波长色散
与光信号谱宽成比例的色散效应，称为波长色散或 GVD(Group Velocity Dispersion，群速度色散)或 色度色散
波长色散的组成
光纤的波长色散组成
材料色散 波导色散 折射率剖面色散
材料色散
材料色散是由构成光纤的纤芯和包层材料的折射率是 频率的函数引起的
Gi n n 1 2 2 i 1 i
偏振模色散图
偏振模色散（PMD）
光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的传 播速率不完全相同，即 x≠y，这将导致偏振模色散 偏振模色散对长途大容量光纤通信影响较为严重， 通常只能用统计推算的方法估算偏振模色散
波长色散
群速度是表征光信号包络传播速度的量
d vg d
光能量主要在纤芯中传输 纤芯所需原料少，更易保证其纯度
6 4 2 0
GIF
纤芯工艺要求更高，折射率不均匀性 减小
包层更厚，OH-离子更难入侵到纤芯中
0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6 1 .8 波长 / m (a)
纤芯小，弯曲损耗更低
超低损耗光纤
瑞利损耗与波长的关系
1 / vg
d 1 dN d c d
2 d n 2 Ym d2
1 Ym c
2 d n 2 材料色散系数： Ym d2
波导色散
波导色散系数
2 1.5
DW
N1 N 2 d 2 bV V 0 2 c dV
单模光纤的双折射
单模光纤的实际工作模式
LP01x 模和 LP01y模 它们是空间正交的两个模，理想状态完全简并，即 xy 几何原因：例如光纤芯不圆，其特例椭圆光纤 应力原因：光纤横向受应力影响，导致各向异性
由于以下原因，光纤存在双折射现象
外加电磁场影响
光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的 传播速率不完全相同，即 x≠y，这将导致偏振模色散
S0 0.085 / nm 2 km
零色散区最大色散系数
D 3.5 ps / nm km
单模光纤的分类 D
非零色散光纤 型号：G.655
G.655 (NZ-DSF)
1310 1550 (nm) 目标：解决四波混频现象 途径：在1550nm窗口保留一定量的色散，但色散要充分小
光纤损耗的种类
吸收损耗
本征吸收 杂质吸收
过渡金属离子 氢氧根离子
散射损耗
瑞利散射 米氏散射 宏弯和微弯
弯曲损耗
本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
光纤的损耗谱
100 50 损 耗 dB/km 10 5 1 0.5 0.1 0.05 瑞利散射 实验值
红外吸收
紫外吸收
OH-吸收
波导缺陷
0.01
0.8
1.0
1.2 1.4 波长λ(um)
1.6
1.8
微弯损耗和宏弯损耗机理
宏弯损耗
曲率半径比光纤直径大得多的宏弯曲
2 1/ 2
传输容量---带宽距离积BL
光源谱宽限制
V 1
2 1/ 2
非零色散点：
0 1 V 2 L / 2 0
2
2 L s
2 0
2 1/ 2
DL
2 0
2 1/ 2
D
2C
2
2
光纤的色散系数
D D0 dD S0 lim 0 0 d
单位：ps/(nm2.km) 给定色散斜率，则零色散区内的色散系数为
D - 0 S0 S0
单模光纤的分类
分类依据：单模光纤的零色散波长 类别：常规型、色散位移型、非零色散型、色散平坦型
色散对光信号包络传播的影响
光纤通信中色散的含义
一切导致因速度差造成光信号包络展宽的因素均被称为 色散
光纤色散对通信的影响
影响链：
色散导致传输的光脉冲展宽 光脉冲展宽导致码间串扰 码间串扰导致系统误码率增大
通信系统需要维持一个足够低的误码率，为此需要降 低码间串扰的程度，可以
为什么工作波长不能选择得更长一些？ 卤化物光纤
氟化物光纤，本征吸收区波长较石英光纤更长一些
最低损耗窗口在2550nm附近 最低损耗低达 0.01~0.001dB/km
难度
超纯原料 微晶体化
光纤损耗的测量
测量方法：剪断法、插入损耗法、背向散射法
剪断法、插入损耗法
偏置电路 被测光纤
2 2 1/ 2
s 高斯光源的均方根谱宽，V 2 s 0 0 初始脉冲宽度
传播距离z以后的脉冲宽度
传输容量---带宽距离积BL
判断依据：接收端光脉冲的均方根宽度不大于 信息比特周期的1/4
TB / 4 1 / 4B
2 z z 1 2 3 2 1 1 V 2 1 V 2 2 8 2 3 0 0 0
(理论极限值0.154dB/km)
使用过程中光纤的损耗变化
变化趋势
损耗增大
原因
热胀冷缩 油膏特性变差 光纤受水分侵蚀
OH-吸收损耗增大 光纤分子缺陷增多
单模与多模光纤损耗对比
单模光纤损耗要小一些
10 SIF 8
km － 1) 损耗 /( dB·
原因包括以下几点：
SMF
2
1
2
v c/n
石英材料： G1=0.6961 G2=0.4079 G3=0.8974 1=0.0684m 2=0.1162m 3=9.8962m
材料色散系数
vg d d
k0 n n 0 0 n / c
dn dn dn dn vg c n k0 c n n N n k0 dk 0 d dk 0 d
单位长度光纤上光信号的群时延：
1 d vg d
c 1/
0 0 , k0 0 0 / c 2 d k0 2 / 2c d
d dk0 1 d dk0 d c dk0
2 d 1 d 2 d 2 2 d 2c d d
d bV dV
b
1
0.5 0 -0.50
d 2 bV V dV 2
0.5
1
1.5
2
2.5
3
单模光纤的色散系数
D( ) Dm ( ) DW ( )
30
20
D Dm
10
0
Dw
-10 1.2
1.3
1.55
1.65
单位：ps/(nm.km)
色散斜率
色散斜率：零色散波长附近总色散系数随波长变化的曲线斜率
第三章 光纤的传输特性
本章内容
光纤中信号的劣化
光纤的损耗特性
光纤的色散特性
单模光纤的非线性
光纤的制造工艺
3.1 光纤中信号的劣化
信号的损伤
任何传输信道均会对信号造成损伤
线性损伤
加性噪声
损耗
外部串扰 信道内部串扰
非线性损伤
信号畸变 乘性噪声
光纤中信号的损伤
光纤损耗的表示方法
光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减：
Pout PineL
可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：
P 10 log in L Pout
dB/km
其中L为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在1550 nm的损耗系 数为0.2 dB/km。
光纤的衰减为A=(VA-VB)/2 (dB)
a
A LAB
dB / km
3.3 光纤的色散
光信号包含不同的频率、模式、偏振分量 色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号 在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决造 同频率的电磁波以不同的相速度和群速度在介质中传 播的物理现象 包络展宽
D 3.5 ps / nm km
SiO2+GeO2 SiO2
SiO2+GeO2 SiO2 SiO2+P2O5+F2
D
G.653(DSF)
单模光纤的分类
1310 1550
色散位移光纤 型号：G.653
(nm)
参数：
零色散波长范围：1.50~1.60μm 色散斜率
问题
如何表示光纤损耗？
光纤损耗的种类及其产生原因是什么？ 如何才能降低光纤的损耗？ 光纤的微弯损耗和宏弯损耗机理是什么？ 光纤在各工作波长段的典型损耗特性如何？ 光纤使用过程中损耗会增大吗？为什么？ 单模光纤的损耗大还是多模光纤的损耗大？为什么？ 光纤的损耗能够更低吗？如何实现？ 光纤的损耗如何测量？
波长色散
与光信号谱宽成比例的色散效应，称为波长色散或 GVD(Group Velocity Dispersion，群速度色散)或 色度色散
波长色散的组成
光纤的波长色散组成
材料色散 波导色散 折射率剖面色散
材料色散
材料色散是由构成光纤的纤芯和包层材料的折射率是 频率的函数引起的
Gi n n 1 2 2 i 1 i
偏振模色散图
偏振模色散（PMD）
光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的传 播速率不完全相同，即 x≠y，这将导致偏振模色散 偏振模色散对长途大容量光纤通信影响较为严重， 通常只能用统计推算的方法估算偏振模色散
波长色散
群速度是表征光信号包络传播速度的量
d vg d
光能量主要在纤芯中传输 纤芯所需原料少，更易保证其纯度
6 4 2 0
GIF
纤芯工艺要求更高，折射率不均匀性 减小
包层更厚，OH-离子更难入侵到纤芯中
0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6 1 .8 波长 / m (a)
纤芯小，弯曲损耗更低
超低损耗光纤
瑞利损耗与波长的关系
1 / vg
d 1 dN d c d
2 d n 2 Ym d2
1 Ym c
2 d n 2 材料色散系数： Ym d2
波导色散
波导色散系数
2 1.5
DW
N1 N 2 d 2 bV V 0 2 c dV
单模光纤的双折射
单模光纤的实际工作模式
LP01x 模和 LP01y模 它们是空间正交的两个模，理想状态完全简并，即 xy 几何原因：例如光纤芯不圆，其特例椭圆光纤 应力原因：光纤横向受应力影响，导致各向异性
由于以下原因，光纤存在双折射现象
外加电磁场影响
光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的 传播速率不完全相同，即 x≠y，这将导致偏振模色散
S0 0.085 / nm 2 km
零色散区最大色散系数
D 3.5 ps / nm km
单模光纤的分类 D
非零色散光纤 型号：G.655
G.655 (NZ-DSF)
1310 1550 (nm) 目标：解决四波混频现象 途径：在1550nm窗口保留一定量的色散，但色散要充分小
光纤损耗的种类
吸收损耗
本征吸收 杂质吸收
过渡金属离子 氢氧根离子
散射损耗
瑞利散射 米氏散射 宏弯和微弯
弯曲损耗
本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
光纤的损耗谱
100 50 损 耗 dB/km 10 5 1 0.5 0.1 0.05 瑞利散射 实验值
红外吸收
紫外吸收
OH-吸收
波导缺陷
0.01
0.8
1.0
1.2 1.4 波长λ(um)
1.6
1.8
微弯损耗和宏弯损耗机理
宏弯损耗
曲率半径比光纤直径大得多的宏弯曲