光纤的损耗特性

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。

知识点光纤的损耗特性
一、教学目标：
理解光纤的损耗特性
二、教学重点、难点：
重点掌握光纤的损耗特性和损耗影响。

三、教学过程设计：
1.知识点说明
为了保障光纤通信线路的可靠性和使用寿命，光纤的损耗特性是非常重要的性能参数。

2.知识点内容
1）损耗的概念
2）光纤的损耗特性
3.知识点讲解
3）讲解损耗的定义及计算公式，损耗系数的定义和概念，以及何种因素引起了光纤的损耗。

4）讲解光纤的损耗变化曲线，光纤的3个工作窗口对应的损耗，举例说明损耗在光通信中对信号损耗的影响，以及对传输容量的影响。

四、课后作业或思考题：
1、光纤的三个工作窗口和损耗的关系？
一般的光纤在波长0.7～1.6μm之间有三个衰耗高峰，每两个衰耗峰之间有一个相对低的衰耗区域，这三个波长区域被用作光纤通信的可用波长段。

光纤有三个低损耗窗口：（1）0.85μm附近，损耗2 ～4dB/km;（2）1.31 μm附近，损耗约0.5dB/km;（3）1.55 μm附近，损耗约0.2dB/km。

五、本节小结：
为了保障光纤通信线路的可靠性和使用寿命，光纤的损耗特性是非常重要的性能参数。

光纤的弯曲损耗
光纤的弯曲损耗是光纤损耗特性的一种。

由于光纤需要在不同的环境中进行安装，因此其必须具有一定的弯曲性。

根据光纤弯曲的程度不同，光纤的弯曲损耗可以分为宏弯损耗和微弯损耗。

宏弯损耗是由于整个光纤轴线的弯曲所引起的。

当光束在光纤的直或平的部分与光纤的轴线形成临界传播角时，它能够正常地在光纤中传播。

然而，当同一光束射到光纤弯曲部分的边界处时，其传播角会增大并可能超过临界值，从而导致光束在弯曲的光纤中无法满足全内反射的条件。

这意味着部分光束会从光纤的纤芯中逃离出去，到达目的地的光功率会比从光源发出的进入光纤时的光功率小，从而产生宏弯损耗。

这是造成光在光纤中传播时所产生的总衰减的最主要原因之一。

微弯损耗则是由光纤轴线的微小畸变所引起的。

纤芯包层接口在几何上的不完善可能会导致在相应区域上出现微观的凸起或凹陷。

当光束以临界传播角在这些不完善点处进行反射时，其传播角可能会发生变化，从而不再满足全内反射的条件。

这会导致部分光束被折射掉，即它们会从纤芯中泄露出，从而产生微弯损耗。

由于没有直接的方法来消除产生光功率损耗的原因，因此在弯曲光纤时需要格外小心。

为了最大限度地减少这种损耗，应该尽量保持光纤的直或平，并避免任何可能导致其发生畸变的因素。

光纤中产生传输损耗的原因
光纤在现代通信领域中被广泛应用，然而在光信号传输的过程中，会产生一定
的传输损耗。

这些损耗的主要原因包括以下几点：
1. 吸收损耗：光纤中的材料对光的能量有一定的吸收，并将其转化为热能。

这
种吸收导致光信号能量的减弱，从而造成传输损耗。

2. 散射损耗：光纤中杂质、不均匀性或结构缺陷会导致光信号的扩散或散射，
使光信号能量在传输过程中损失。

散射损耗可分为Rayleigh散射、Mie散射和弹性散射等几种形式。

3. 弯曲损耗：光纤在弯曲或弯折的情况下，由于光信号的传播路径不再是直线，会导致信号的散失。

较小的弯曲半径和较大的弯曲角度都能引起更大的传输损耗。

4. 线性损耗：光纤中的材料具有一定的透光率，因此光信号会沿着光纤的长度
方向逐渐减弱。

这种线性损耗主要由光纤本身的特性引起。

5. 热效应损耗：光信号的强度与光纤的温度密切相关，当光纤发生温度变化时，光信号的强度也会相应发生变化。

热效应损耗主要包括热导、热辐射和热吸收等。

6. 耦合损耗：光纤系统中，光源、光纤和接收器之间存在着光信号的耦合过程，而耦合过程中会产生一定的能量损失，从而导致传输损耗。

了解和掌握这些光纤中产生传输损耗的原因，对于光纤通信系统的设计和维护
具有重要意义。

在实际应用中，科学有效地减小这些损耗，提高光信号的传输质量和效率，将会对光纤通信技术的发展产生积极的影响。

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。