光纤传输特性(精)
光纤的传输特性
弯曲损耗随模场直径增加显著增加
光纤通信系统
光纤损耗的计算
前面的讨论说明多种导致光纤损耗的原因。一般来说光
信号在光纤中传播的时候，其功率随距离 L 的增加呈指数
衰减：
Pout PineL
那么，评价光纤损耗特性可以通过损耗系数来衡量。光纤的 损耗系数定义为：
10 L
log
Pin Pout
dB / Km
光纤通信系统
本征吸收
(1) 光纤中传输的光子流会将光纤材料中的电子从低能级激
发到高能级，同时光子流中的能量被电子吸收而引起损耗。 该损耗与光纤中非晶体材料的带隙相关。
晶格
(2) 红外吸收
由于光纤中传播的光Leabharlann 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
Ex
的损耗。
光传播方向 k
z
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光纤通信系统
光纤吸收损耗曲线
掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤
几种掺杂成分不同的光纤的损耗比较
OH－
0.154 dB/km
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光纤通信系统
散射损耗
光纤中由于密度不均、折射率的变化以及结构上
的不完善，会发生散射现象。 ❖瑞利散射：尺度小于光波长的材料密度的不均匀对 入射光产生的本征散射，短波长的光容易发生这种散 射 [造成原因]—分子密度分布不均匀；掺杂分子导致折 射率不均匀 ❖波导散射：由波导缺陷导致的散射 [造成原因]—纤芯和包层的界面不完整、圆度不均匀 以及残留气泡和裂痕等引起的散射（目前的制造工艺 基本可以克服波导散射） 本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
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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。
光纤通信重要知识点总结
光纤通信重要知识点总结光纤通信是指利用光纤作为传输介质进行信息传输的通信方式。
光纤通信具有高带宽、长传输距离、低损耗和抗干扰等优点，因此在现代通信领域得到广泛应用。
下面是光纤通信的重要知识点总结：1.光纤的组成与结构：光纤主要由芯、包层和包衣组成。
芯是光信号传输的区域，通常由高折射率的材料制成；包层是用低折射率材料包围芯，起到光信号在纤芯内反射传播的作用；包衣是保护光纤的外层，通常由聚合物材料制成。
2.光纤的工作原理：光信号通过光纤的内部反射传播。
当光线从纤芯射入包层界面时，根据全反射原理，光线会完全反射回纤芯内部，从而沿着光纤传输。
通过控制入射角度和光纤材料的折射率可实现光信号的传输和传播。
3.光纤的传输特性：光纤具有高带宽、低损耗和低延迟等优点。
由于采用了光的传输方式，能够实现高速率的数据传输，大大提高了通信的速度和容量。
光纤的损耗非常低，可以在长距离范围内传输信号，而且几乎不受电磁干扰和信号衰减影响。
同时，光信号在光纤中的传输速度非常快，几乎接近光速，因此具有低延迟特性。
4.光纤通信系统的组成：光纤通信系统一般由光源、调制器、光纤传输介质、光解调器和接收器等组成。
光源可以是激光器或发光二极管等，用来产生光信号。
调制器用来将电信号转换成光信号，例如使用调制技术将数字信号转换成光脉冲信号。
光解调器则将光信号转换为电信号，通常使用光电二极管或光电探测器等光电转换器件。
接收器接收到光信号后进行信号处理和解码，将其转化为原始的电信号。
5.光纤通信的调制技术：光纤通信中常用的调制技术包括直接调制和外调制两种。
直接调制是通过改变激光器的电流或电压来实现光信号的调制，简单且成本低，但调制深度较浅。
外调制则是利用外部器件（如调制器）来对光信号进行调制，可以实现高深度的调制，但需要较复杂的设备和技术。
6.光纤通信网络的结构：光纤通信网络一般采用分布式结构或集中式结构。
分布式结构中，光纤纷纱采用星型或网状拓扑结构连接各个用户，每个用户都连接到一个光纤节点。
光的全反射和光纤的传输特性
光的全反射和光纤的传输特性光的全反射是光在从一种介质进入另一种折射率较小的介质时，遇到临界角时发生的现象。
在这种情况下，光线完全被反射回原来的介质中，而不发生折射。
这一现象在光纤的传输中起着重要的作用，使得光能够在光纤中长距离传输。
在光的全反射现象中，有两个关键概念：临界角和折射率。
临界角是指光从光密介质向光疏介质射入时，介质之间的界面上光线的入射角度。
当入射角度小于临界角时，光会发生折射；但是当入射角度大于等于临界角时，光则会完全被反射回原来的介质中。
而折射率则是描述光线在不同介质中传播时的速度变化情况，不同介质的折射率不同，折射率较大的介质光速度较慢。
光纤的传输特性主要依靠光的全反射来实现。
光纤是一种由光导纤维制成的细长管道，能够将光信号传输到远距离的地方。
光纤的核心是由高折射率的材料制成，而外部则是由低折射率的材料制成。
当光信号经过光纤的入射面时，光线会以入射角小于临界角的方式射入光纤中。
然后，光线在光纤中发生多次全反射，保持在光纤内部的传输。
由于光的全反射现象，光信号能够在光纤中一直传输下去，而不会发生大量的能量损失。
光纤的传输特性使得它在通信领域中有着广泛的应用。
与传统的铜缆相比，光纤传输具有很多优势。
首先，光纤的传输速度非常快，远高于铜缆。
光纤的信号传输速度接近光速，因此能够在瞬间将大量数据传输出去。
此外，光纤的传输距离远，光信号在光纤中传输时几乎没有能量损失，使得信号可以长距离传输。
这使得光纤在电信网络中能够实现远距离通信，极大地拓展了通信的范围。
另外，光纤还具有抗干扰性强、安全性高等优点，使得它在保密通信领域得到广泛应用。
光纤的应用不仅局限于通信领域，还涉及到其他许多领域。
例如，医疗领域中的内窥镜采用了光纤技术，使得医生能够通过光纤将图像传输到显示屏上，用于诊断和治疗。
此外，工业领域中的光纤传感技术也得到了广泛应用，可以监测和测量各种参数，如温度、压力等。
光纤传感技术能够实现高精度的测量，并且由于光纤的柔性和耐腐蚀性，使得它在工业环境中具有更广泛的应用前景。
光纤传输特性和影响
式中，λ的单位为nm。
当λ=1273nm时，M2(λ)=0。式(2.52)第二项为波导色散，
其中δ=(n3-n2)/(n1-n3)，是W型单模光纤的结构参数，当δ=0时，
相应于常规单模光纤。含V项的近似经验公式为
Vd（ 2b)v0.08 0 5 .54 (2.8 93 V 4)2
d2 V
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ห้องสมุดไป่ตู้
光纤传输特性和影响
➢ T(f)=10 lg|H(f3dB)/H(0)|=-3
(2.44b)
➢ 一般， 光纤不能按线性系统处理， 但如果系统
光源的频谱宽度Δωλ比信号的频谱宽度Δωs大得
多，光纤就可以近似为线性系统。
➢ 光纤传输系统通常满足这个条件。
11
光纤实际测试表明，输出光脉冲一般为高斯波形，设
Po(t)=h(t)=exp(
➢ 由于纤芯和包层的相对折射率差Δ<<1，即 n1≈n2，由式(2.28)可以得到基模HE11的传输常 数
➢ β=n2 k (1+bΔ)
(2.51)
➢ 参数b在0和1之间。由式(2.51)可以推导出单
位长度光纤的时间延迟
1 d
c dk
➢ 式中，c为光速，k=2π/λ，λ为光波长。
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经简化，得到单位长度的单模光纤色散系数为
总色散系数 D ≈ Dm + Dw
DDmDw
1320
- 材料色散的影响一般大于波导色散： |Dm| > |Dw| - 波导色散系数通常为负值
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光纤传输特性和影响
G.653 色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550 nm
1550 nm
办法：材料色散不变，通过改变 折射率剖面形状来增大波 导色散，使零色散点往长 波长方向移动
光纤的传输特性课件
光的折射是指光线在穿越不同折射率的介质时，传播方向发 生变化的现象。反射则是光线在遇到介质界面时，部分能量 返回原介质的现象。这两种现象在光纤中都存在，并影响光 线的传播路径和能量分布。
光纤中光的传播方式
总结词
在光纤中，光线通过全反射原理实现传播，能量主要集中在纤芯区域，以保持光 的传输方向和路径。
光纤的传输特性课件
THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
目录CONTENTS
• 光纤的简介 • 光纤的传输原理 • 光纤的传输特性 • 光纤的应用 • 光纤的未来发展
01
光纤的简介
光纤的定义
光纤
是一种传输光信号的介质，由高 纯度的石英玻璃纤维制成，具有 极低的损耗率和良好的绝缘性。
交叉相位调制
当两个不同频率的光在光纤中 传播时，它们的相位会相互影
响。
01
光纤的应用
通信领域的应用
高速数据传输
光纤作为信息传输介质，具有极 高的传输速度和带宽，适用于大 规模数据中心的连接和高速互联
网接入。
长距离传输
光纤的损耗较低，能够实现远距离 信号的无损传输，适用于跨大洲、 跨海域的光纤通信网络建设。
光波导
光纤内部由折射率较高的纤芯和 折射率较低的包层组成，光波在 纤芯中传播，形成光波导效应。
光纤的发展历程
01
02
03
起源
20世纪60年代，英国科学 家高锟和霍克哈姆提出利 用光纤进行通信的设想。
实验阶段
20世纪70年代，美国贝尔 实验室成功研制出第一根 实用化的光纤。
应用阶段
20世纪80年代，随着光电 子器件和光通信技术的成 熟，光纤开始广泛应用于 通信领域。
11.2 光纤的传输特点.
由于光纤是一种传输媒介,它可以像一般铜缆线,传送电话通话或电脑数据等资料,所不同的 是,光纤传送的是光信号而非电信号，光纤传输具有同轴电缆无法比拟的优பைடு நூலகம்而成为远距离 信息传输的首选设备。因此,光纤具有很多独特的优点。
（1）传输损耗低 损耗是传输介质的重要特性，它只决定了传输信号所需中继的距离。 （2）传输频带宽 光纤的频宽可达1GHz以上。 （3）抗干扰性强 光纤传输中的载波是光波，它是频率极高的电磁波，远远高于一般电 波通讯所使用的频率，所以不受干扰，尤其是强电干扰。 （4）安全性能高 光纤采用的玻璃材质，不导电，防雷击；光纤无法像电缆一样进行窃 听，一旦光缆遭到破坏马上就会发现，因此安全性更强。 （5）重量轻，机械性能好 光纤细小如丝，重量相当轻，即使是多芯光缆，重量也不会 因为芯数增加而成倍增长，而电缆的重量一般都与外径成正比。 （6）光纤传输寿命长，普通视频线缆最多10-15年，光缆的使用寿命长达30-50年。
光纤传输知识点总结
光纤传输知识点总结一、光纤传输的基本原理光纤传输的基本原理是利用光的全内反射特性进行信号的传输。
当光线进入光纤时，如果入射角小于临界角，光线就会被完全反射在光纤的内壁上，不会发生透射。
由于光的速度很快，因此通过光纤的传输速度也非常快。
在光纤传输过程中，光信号会在光纤中不断地进行全内反射，达到信息传输的目的。
二、光纤的特点1. 带宽大：由于光的波长较短，因此光纤的带宽远远大于传统的铜线传输。
2. 传输速度快：光的传输速度非常快，因此光纤传输的速度也非常快，是传统电信号传输的数倍甚至数十倍。
3. 抗干扰能力强：光信号在光纤中传输时，不会受到外界电磁干扰的影响，因此光纤传输的抗干扰能力非常强。
4. 传输距离远：由于光的传输损耗小，因此光纤传输可以实现更远距离的信号传输。
5. 体积小、重量轻：与传统的电缆相比，光纤具有较小的体积和重量，便于安装和维护。
三、光纤传输系统的结构光纤传输系统主要由光源、光纤、光接收器组成。
光源可以是激光、LED等发光器件，发出的光信号通过光纤传输到目标地点，然后被光接收器接收并转换成电信号。
在实际应用中，光纤传输系统通常还包括光纤放大器、光纤复用器、光纤解复用器等辅助设备，以及光纤连接器、光纤延长器等光纤配件。
四、光纤传输的应用1. 通讯领域：光纤传输在通讯领域得到了广泛的应用，包括电话通讯、数据传输、因特网接入等。
光纤传输的高速、大带宽特性，使其成为现代通讯系统的重要组成部分。
2. 电视信号传输：光纤传输可以实现高清晰度、高质量的电视信号传输，能够满足用户对高品质影视娱乐的需求。
3. 医疗领域：在医疗影像诊断和手术中，常常需要传输大量的影像数据。
光纤传输的高速、大带宽、抗干扰能力强的特性，使其成为医疗领域的首选传输介质。
4. 工业自动化：自动化生产线通常需要大量的传感器和执行器进行数据传输和控制，光纤传输可以满足这些设备的高速、抗干扰的需求。
5. 军事领域：光纤传输在军事通讯、雷达系统、导航系统等领域得到了广泛的应用，其高速、高可靠性的特性可以满足军事通讯的各种需求。
光纤传输原理及特性
射线上任一点符合以下关系：
n<r0>cosθz0=n<r>cosθz 在转析点A处,射线与光纤轴平行,则 cosθz=1, n<r>=n2, n2为包层的折射率
n<r0>cosθZ0=n2, cosθz0=n2/n<r0> <2>数值孔径NA<r>? 设θz0所对应φ为最大入射角
sinφ=n<r0>sinθz0
第2章 光纤传输原理及传输特性
本章内容提要： 光纤和光缆的结构与类型 光纤的传输原理分析 光纤的结构参数<光学和几何特性> 光纤传输特性 光纤的非线性效应 光纤的机械与温度特性
2.1 光纤和光缆的结构及类型
光纤与光缆的结构 光纤？光缆？
所谓"光纤"就是工作在光频下 的一种圆柱体介质波导,它引导光 能沿着轴线平行方向传输.
在1 550 nm工作波长衰减系数和色散系数均最小。主要用于长距离、高速 率，如10 Gbit/s以上系统，其缺点是易受非线性影响，并产生较严重的四 波混频效应（FWM），它不支持波分复用系统
在1 550 nm波长衰减系数最小，抗弯曲性能好。主要用于长距离海底系统
在1 550 nm处有低色散保证，有抑制FWM等非线性效应，使得其能用在 EDFA和DWDM系统，传输速率在10 Gbit/s以上
表2.1 各种光纤适用范围
光纤类型 G.651光纤 G.652光纤
G.653光纤 G.654光纤 G.655光纤
G.656光纤
DFF光纤 DCF光纤
适用范围
工作在850 nm的短波长窗口，对于四次群以下的光纤通信系统较为实用。 常用于局域网和数据链路
在1 310 nm波长性能最佳，是目前应用最广泛光纤。主要应用在1 310 nm 波长区开通长距离622 Mbit/s及其以下系统，在1 550 nm波长区开通2.5 Gbit/s，10 Gbit/s和n×2.5 Gbit/s波分复用系统
第二章 光纤传输理论及特性
2.1.2 光纤的分类
3．单模光纤的型号
ITU-T建议规范了G.652、G.653、G.654和G.655单模光纤 （1）G.652光纤
G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色 散为零的波长）在1 310nm附近的光纤，具有如下特点：
➢ 1310nm色散（1~3ps.nm-1.km-1),衰减0.34dB/km; ➢ 1550nm色散（17ps.nm-1.km-1),衰减0.20dB/km; ➢ 成本低，大多数已安装的光纤均为G.652，低损耗 ; ➢ 大有效面积，有利于克服非线性效应; ➢ 色散斜率大，大色散系数，色散受限距离短; ➢ 可用G.652+DCF方案升级扩容，但成本高;
光纤通信光纤通信76264264光纤中的非线性效应光纤中的非线性效应受激散射非线性折射弹性散射非弹性散射参量过程自相位调制spm和色散配合产生光孤子交叉相位调制xpm高速光开关四波混频fwm参量放大器三次谐波拉曼散射光纤放大布里渊散射光纤传感光纤通信光纤通信77264264光纤中的非线性效应光纤中的非线性效应2srs受激拉曼散射当一定强度的光入射到光纤中时会引起光纤材料的分子振动进而调制光强产生间隔恰好为分子振动频率的边带
带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。
如图2-27、2-28所示。
图2-27 中心束管式带状光缆
图2-28 层绞式带状光缆
2.1.3 光缆的结构
（5）单芯结构光缆 单芯结构光缆简称单芯软光缆，如图2-29所示。 这种结构的光缆主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软 线和特殊通信场所用特种光缆以及制作单芯软光缆的光纤。
图2-29 单芯软光缆
2.5.1 射线方程
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光纤色散对系统的限制•光纤通信系统中，信息是通过编码脉冲序列在光纤中传输的，光脉冲的宽度由系统的比特率B决定，因而不希望色散展宽而产生误码。
但实际上群速度色散GVD总是会引起脉冲展宽，脉冲展宽会导致相邻比特周期的信号重叠，产生ISI（Intersymbol Interference），从而限制了光纤通信系统的比特率B和传输距离L，而BL积是评价系统传输性能的基本参数（称为通信容量）。
光纤的传输带宽定义相邻两脉冲虽重叠但仍能区别开时的最高脉冲速率为该光纤线路的最大可用带宽。
光纤的带宽特性如图所示：
例：SI-MMF（阶跃型-多模光纤）, n1＝1.487， NA=0.275仅考虑模间色散, 1km长度脉冲展宽
例：LD, Δλ=2nm,λ=1.31um, SMF, D(λ=2ps/nm.km, 1km长度模内色散造成的脉冲展宽
本节小结光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传输距离的增加，光纤不再是一个透明管道。
传输特性损耗：直接影响中继距离，光放大器；色散：将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量，色散管理；表2.3 光纤参数。