第3章光纤的传输特性

第三章 光纤的传输特性

1．简述石英系光纤损耗产生的缘故，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P1，输出端的光功率为P2。

那么P1＝2P2

光纤的损耗系数kmdBPPkmPPL/3.02lg1010lg102221＝

3．光纤色散产生的缘故有哪些？对数字光纤通信系统有何危害？

答：（1）依照色散产生的缘故，光纤的色散要紧分为：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，色散会引发光脉冲展宽，严峻时前后脉冲将彼此重叠，形成码间干扰，增加误码率，阻碍了光纤的传输带宽。因此，色散会限制光纤通信系统的传输容量和中继距离。

4．什么缘故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。由于光纤损耗 吸收损耗 本征吸收

杂质吸收

原子缺陷吸收 紫外吸收

氢氧根（OH－）吸收

瑞利散射损耗 散射损耗

弯曲损耗 光纤弯曲损耗 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，而且模式色散>>材料色散＞波导色散＞极化色散。由于极化色散很小，一样忽略不计。在多模光纤中，要紧存在模式色散、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，也确实是单模光纤的带宽比多模光纤宽得多。

5．均匀光纤纤芯和包层的折射率别离为n1=1.50，n2=1.45，光纤的长度L=10km。试求：

（1）子午光线的最大时延差；

（2）假设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） 1sin21111nnCLnnCLnCLcM

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。

第三章 单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应

单模工作模特性及光功率分布 .............................. 错误!未定义书签。

单模光纤中LP01模的高斯近似 ............................... 错误!未定义书签。

单模光纤的双折射（单模光纤中的偏振态传输特性） .............. 错误!未定义书签。

双折射概念 ............................................... 错误!未定义书签。

偏振模色散概念 .......................................... 错误!未定义书签。

单模光纤中偏振状态的演化 ................................ 错误!未定义书签。

单模单偏振光纤 .......................................... 错误!未定义书签。

单模光纤色散 ................................................. 错误!未定义书签。

色散概述 ................................................ 错误!未定义书签。

单模光纤的色散系数 ...................................... 错误!未定义书签。

单模光纤中的非线性效应 ...................................... 错误!未定义书签。

受激拉曼散射（SRS） ..................................... 错误!未定义书签。

受激布里渊散射（SBS） ................................... 错误!未定义书签。

非线性折射率及相关非线性现象 ................................ 错误!未定义书签。

知识点 光纤的传输特性

一、教学目标：

了解光纤的传输特性分为光纤的损耗特性和光纤的色散特性。

二、教学重点、难点：

光纤本身损耗的原因、光纤的色散特性。

三、教学过程设计：

1知识点说明

〔1〕光纤的损耗特性是指光信号在光纤内传播，随着距离的增大，能量会越来越弱，其中一局部能量在光纤被吸收，一局部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。色散主要影响光纤通信系统的传输容量，也对中继距离有影响。

2知识点内容

〔1〕我们首先介绍光纤的损耗特性

〔2〕光纤本身损耗的原因〔3种〕

〔2〕光纤的色散特性

〔4〕光纤的色散特性主要分为3种

3知识点讲解

〔1〕光纤本身损耗的原因，大致可以分为：

吸收损耗：是指光波通过光纤材料时，有一局部光能变成热能，造成光功率的损失。吸收损耗可以分为本征吸收和杂质吸收两类。

散射损耗：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，从而使一局部光不能到达接收端所产生的损耗。主要包含瑞利散射损耗、非线性散射损耗和波导效应散射损耗。

其他损耗：其他损耗主要是连接损耗、弯曲损耗和微弯损耗。

〔2〕光纤的色散特性主要有：

模式色散：模式色散是指即使同一波长的光，假设其模式不同，那么传播速率也不同，从而引起色散，又称为模间色散，只存在于多模光纤中。

色度色散〔材料、波导〕，又分为：

①材料色散：是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时延不同而产生的色散。

②波导色散：由于光纤中的光波导结构参数与波长有关而引起的色散

偏振模色散：由于光线本身形状不对称或光纤受到外界磁场的干扰等因素造成的双折射现象，引起了偏振模式色散〔D是一种随机色散。