光纤特性
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。
光纤的基本特性及测试全
算来标度的。已知光在真空中的速度
c=3×108m/s，光纤折射率为n(λ)，光脉冲 在光纤中从A点传播到B点再由B点传播到A点 ，时间间隔为Δ t，那么A、B间的长度为 L=cΔt/2n(λ)。利用OTDR的背向散射曲线的分
析，很容易确定光纤中的缺陷、断裂点、接头 的位置，并能测量光纤的长度。
背向散射法: OTDR优奌:只需在光纤的一端测试，方法 又十分简单，很适合现场测量，特别是可用来测
L
I0 L I0 '
（7.2.2）
用这种方法测量损耗，还要把光纤的出射端和接收光能的硅 光电池放在折射率匹配液中，以减少端面损耗，提高测量精 度
直接比较法:是用图7.2.2所示的装置
图7.2.2 双接收器比较法示意图
SP必须为中性分数 器，因为一般的多 模分束器只对某一 波长某一角度的入 射光起作用
mn
1Pcomn 2 Pcldm
Ptmn
（7.1.4）
P 式中 comn ， Pcldm ， Ptmn 为某模式(m，n)在
纤芯、包层中和总的功率流。
在前面仍然考虑包层是无穷的，功率一分为二，一部分在纤芯 里传输，另一部分在包层里传输。虽然实际上并非如此，但一般 在包层的边缘上电磁场已衰减到很小，所以这个近似还是可以的。
被测光纤由两根光纤 焊接而成，中间的凸 起显示了接头处的反 射，而曲线尾部的凸 起则显示了光纤末端 处的反射。
图7.2.4 OTDR测量曲线
由(7.2.3)式盒图7.7可以看出AB段光纤的衰减系数为:
(, L) 1 10 lg[ p(, zA )] 2 zR zA p(, zB )
于是，不同频率的光波传输的群速度不同，由于这个原因所产生 的色散叫做材料色散。这种色散在单模中占主要地位。
光纤的特性参数
发生联系。而光脉冲的根均方脉宽不仅能确切地描述光脉冲的特性，
[url=/]魔兽 sf[/url]而且还与光纤通信系统的中继距离密切相 关，在光纤通信的理论中经常用到它。
在时域范围内，光纤的冲击响应 h(t)是一个高斯波形，如图 1.2.12 所示。
冲击响应 h(t)
L 为光纤长度 (km)。 色散系数越小越好。光纤的色散系数越小，[url=/]魔兽 私服[/url]就意味着它对光脉冲的展宽越小即光纤的传输容量越大。
（3）.模场直径 d 模场直径表征单模光纤集中光能量的程度。 单模光纤的纤芯直径为 5~9 μm，它与光工作波长 1.3~1.8 μm 处于同一个数量级； 但由于光的衍射效应而无法测量出纤芯直径的精确值。此外，由于单模光纤只传输一种 模式即基模 LP01 模，但 LP01 模的场强分布并不局限在纤芯之中，会有一少部分在包层 中传输，所以单模光纤纤芯直径的概念在物理上已没有什么意义，故引入新的特性参数 模场直径 d。 可以极其粗略地认为，模场直径 d 和单模光纤的纤芯直径相近。 如 G.652 光纤的模场直径 d 为 5 ~ 9 μm，这说明在传输过程中有百分之九十五 以上的光能量，集中在直径为 5~9 μm 的光纤内部的圆柱体内传送。
式中： L 为光纤长度（km）；
Pi 为输入光功率值（W）； P0 为输出光功率值（W）。 如某光纤的衰耗系数为 α f = 0.3dB/km，光纤长度 L = 10km，则：
P
i
= 100.3 = 2
P
0
这就意味着，经过 10km 的光纤传输之后，其光功率信号减少了一半。
长度为 L 公里的光纤的衰耗值为：A =α f ּL 。 也就是说，光纤的衰耗与光纤的长度成正比关系。
(MHz)
光纤的基本特性及测试(全)
内容提要
前言
7.1光纤的传输损耗 7.2光纤的损耗的测量 7.3光纤的色散和脉冲展宽 7.4光纤脉冲展宽的测量 7.5光纤的偏振和双折射 7.6光纤的拍长和偏振模色散测量
前言
光纤的基本特性
光纤几何参数： 1.纤芯、包层直径、不园度、偏芯率 2.数值孔径 3.折射率分布
§7.3
光纤的色散和脉冲展宽
损耗和色散是光通信传输介质的两个重要的特性参量。要实 现长距离光通信，光纤必须同时具有低的损耗和小的色散。 因为色散限制了经过光纤传输的光信号的调制光谱宽度，所 以，可以利用术语“光纤带宽”(或称带宽)来表述光纤的色 散性质。 在光纤中，色散有如下几种: (1)材料色散( n )。这就是材料本身的折射率随频率而变， 于是，不同频率的光波传输的群速度不同，由于这个原因所产生 的色散叫做材料色散。这种色散在单模中占主要地位。 (2)多模色散( m )。它是由于传输的各模之间的群速度 不同所引起的色散，这种色散仅出现在多模光纤中，又称 模式间色散。
图7.2.4 OTDR测量曲线 由(7.2.3)式盒图7.7可以看出AB段光纤的衰减系数为:
p ( , z A ) 1 10 ( , L) lg[ ] 2 zR z A p ( , z B )
（7.2.4）
图中为对数坐标，即Ps(A)=10log10p(λ,zA) ，Ps(B)=10log10p(λ,zR)，zR-zA=L，所以:
图7.1.2
光纤损耗与波长的关系
Байду номын сангаас
§7.2
光纤损耗的测量
当光束通过一定长度的光纤后，光束的能量就会衰减。损耗 这个量就表示光纤对光能的衰减能力，常用dB为单位，它定 义为:
光纤的特性
4. 1.2光纤的色散特性
色散是光纤作为传输介质的另一重要特性，色散及相应的 脉冲展宽限制了光纤的传输容量。因此，千方百计抑制、补偿 光纤的色散，是提高系统性能，实现大带宽、高速率、长距离 信号传输的关键问题。近代光纤通信的飞速发展，始终伴随着 色散问题的不断探索与解决。正是在损耗与色散两大关键问题 的突破解决之后，才实现了光纤的低损耗、大带宽、高速率、 长距离的传输特性。 1.光纤色散的概念与影响 光纤色散是指光纤对在其中传输的光脉冲的展宽特性，它是 由于光纤中传输信号的不同频率(波长)成分与不同模式成分的 群速不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象。 色散将使光纤中传输的无论是脉冲信号还是模拟信号均要发生 波形畸变。
图2. 6表示了单模光纤传输条件下，输人光脉冲信息、形成的脉冲 展宽及其对通信带来的严重影响后果。图2. 6(a)表示单模光纤传输 系统;图2. 6(b)表示光纤输人端输人的数码1011;图2. 6 (c)表示传输 距离L,后，由于每个脉冲展宽，“11”两脉冲波形相互搭接，已较难 分辨(易造成误码);图2. 6(d)表示传输距离L:后，脉冲展宽结果的 “1011”数码信号已完全不能分辨，通信失效。因此，为了保证通 信质量，对色散造成的脉冲展宽必须加以限制，即对光纤能传输的 最高数码率Bu.加以限制。如果输人理想矩形脉冲，其脉冲宽度△t， 则为保证传输过程中相邻脉冲间不搭接，脉冲展宽显然必须簇≤△t。 光纤中允许的最大数码率与光纤频带宽度之间的具体关系，尚同选 择的调制码型有关，留待尔后讨论。
色散的优质光纤，对增加通信容量、延长通信距离是十分重
要的
分析表明，实际光源(如半导体激光器与发光二极管)发出的
并非单一波长的光，而是以几。为中心波长的一个波谱，即
具有一定的谱线宽度。通常以光强下降到最大值一半时的谱
光纤特性研究实验报告
一、实验目的1. 了解光纤的基本结构和组成，掌握光纤的基本特性。
2. 研究光纤的传输特性，包括损耗、色散和带宽等。
3. 掌握光纤连接与测试方法，提高实验操作技能。
二、实验原理光纤是一种利用光的全反射原理进行光信号传输的介质。
它主要由纤芯、包层和护套组成。
光纤的传输特性主要取决于纤芯和包层的折射率分布。
三、实验仪器与材料1. 光纤测试仪2. 光纤连接器3. 光纤跳线4. 光源5. 光功率计6. 光纤测试软件四、实验步骤1. 光纤连接与测试（1）将光纤连接器连接到光纤跳线两端。
（2）将光纤跳线的一端连接到光源，另一端连接到光纤测试仪。
（3）使用光纤测试仪测试光纤的损耗、色散和带宽等参数。
2. 光纤损耗测试（1）调整光源输出功率，记录光纤测试仪显示的光功率。
（2）将光纤跳线插入测试仪，再次记录光功率。
（3）计算光纤损耗：损耗 = (P1 - P2) / P1，其中P1为光源输出功率，P2为光纤输出功率。
3. 光纤色散测试（1）使用不同波长的光源，如850nm和1310nm，进行测试。
（2）记录光纤测试仪显示的光功率。
（3）计算光纤色散：色散= (ΔP1 - ΔP2) / Δλ，其中ΔP1和ΔP2分别为不同波长下的光纤损耗，Δλ为波长差。
4. 光纤带宽测试（1）使用不同频率的信号源，如10GHz和20GHz，进行测试。
（2）记录光纤测试仪显示的光功率。
（3）计算光纤带宽：带宽 = (P2 - P1) / P1，其中P1为低频信号下的光纤损耗，P2为高频信号下的光纤损耗。
五、实验结果与分析1. 光纤损耗测试结果显示，实验所用光纤的损耗在1.5dB/km左右。
2. 光纤色散测试结果显示，实验所用光纤的色散在0.1ps/nm·km左右。
3. 光纤带宽测试结果显示，实验所用光纤的带宽在20GHz左右。
六、实验结论1. 通过实验，我们了解了光纤的基本结构和组成，掌握了光纤的基本特性。
2. 光纤的损耗、色散和带宽等参数对光纤传输性能具有重要影响。
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。
光纤的特性
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：
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光纤特性
清华大学物理电子学实验
一、实验目的
1：同感显微镜观察光纤结构
2：掌握光纤传输损耗特性
3：利用光纤弯曲损耗性质设计光纤衰减器
二、实验原理
1.光纤的结构
按传输的模式数量可分为单模光纤和多模光纤。
单模光纤：只能传输一种模式(基模)多模光纤：能同时传输多种模式的光纤模光纤单模光纤和多模光纤的纤芯的尺寸和纤芯-包层的折射率差值不同。
多模光纤的纤芯直径大，直径2a=50~500µm，纤芯-包层折射率差大，∆=(n1-n2)/n1=0.01~0.02。
用于通信的多模光纤有两种：纤芯直径为50µm和62.5µm。
通信用单模光纤纤芯直径一般为9µm。
按纤芯折射率分布的方式可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。
阶跃折射率光纤：纤芯折射率是均匀的，在纤芯和包层的分界面处折射率发生突变；渐变折射率光纤：折射率是按一定的函数关系随光纤中心径向距离而变化。
2.光纤的传光原理
子午光线在光纤内应满足全反射条件。
要使光能完全限制在光纤内传输，则应使
光线在纤芯-包层分界面上的入射角ψ大于等于临界角ψ0。
定义：子午面内数值
孔径：NA=n0sinϕ0
3.光纤的损耗特性
光纤的实用化和发展过程一直是围绕着降低损耗来进行的。
从二十世纪60年代到80年代，光纤损耗从100dB/km 减小到0.2dB/km，由于受到光纤制造工艺和光纤材料固有因素的影响，损耗是不可消除的。
各种损耗引起的功率衰减通常定义为(单位为分贝, dB)
其中Pi、Po分别为输入功率和输出功率其损耗主要由材料的吸收损耗和散射损耗确定。
4.弯曲引起的光纤损耗及应用
光纤弯曲时在光纤中传输的导模将由于辐射而损害光功率光纤宏弯曲时，曲率半径大于临界值Rc时，因弯曲引起的附加损耗很小可以忽略不计；小于临界值Rc时，附加损耗按指数规律迅速增加。
单模光纤的临界半径Rc的表达式为：
其中Δ=(n1-n2)/n1为相对折射率，λc为光纤截止波长
三、实验技术
1.光纤端面显微观测
2.光纤熔接
3.光纤损耗的测量
四、器材
多波长半导体激光器、光功率计、显微镜、被测光纤、光法兰、光跳
线、光纤切割刀等等。
五、实验任务
1.利用显微镜观察单模光纤与多模光纤的端面结构并测量其几何尺寸
取一小段光纤（约20cm），将其前端处理成垂直且平整，固定在夹具上，置于显微镜聚焦平面上，调节显微镜，使其在电脑屏幕上显示清晰的光纤端面图像。
存储图片作为实验数据记录，利用看图软件，测出光纤的包层与芯层直径。
2.测量光纤的损耗与损耗系数
利用插入损耗法，测量轮子上的光纤在1550nm和1310nm两种波长下的损耗，根据光纤长度，计算出被测光纤的损耗系数
3.研究光纤的弯曲损耗特性并设计一个光纤衰减器
取一段单模光纤，按图设计制作一个多圈的基于光纤宏弯损耗的衰减器。
用胶带固定，压缩光圈，改变其两端的曲率半径，观察其损耗大小的变化。
将做好的光纤圈的光纤两端各焊接一段光纤接头。
将光纤圈放入衰减器支架，调节旋钮，制成一个可调光衰减器。
测量设计的光衰减器在1550波长下的损耗范围，记录最小损耗值与最大损耗值，计算出损耗范围，尽量减小最低损耗，同时使衰减器动态范围达到40dB.
六、实验数据记录与处理
1.测量单模光纤与多模光纤芯层直径
（1）单模光纤
包层直径：2d=125um；芯层直径：2a=9.12um
（2）多模光纤
包层直径：2d=125um;芯层直径：2a=61.84um
在计算机中得出的图像分别如下：
2.测量光纤的损耗与损耗系数
（1）：数据记录：
光纤长度：L=25.2Km
在λ=1310nm波长下：
P1 (λ)=0.84dBm；P2(λ)=-7.89dBm
在λ=1550nm波长下：
P1 (λ)=1.76dBm；P2(λ)=-4.38dBm
（2）：数据处理
当λ=1310nm时：
损耗A（λ）=P1（λ）-P2（λ）=8.37dB
损耗系数æ（λ）=A(λ)/L=0.35dB/Km
当λ=1550nm时：
损耗A（λ）=P1（λ）-P2（λ）=6.14dB
损耗系数æ（λ）=A(λ)/L=0.24dB/Km
3.研究光纤的宏弯特性并且设计光纤衰减器
当加入当λ=1550nm时：
最小损耗值A1（λ）=1.76-（-0.30）=2.03dB
最大损耗值A2（λ）=1.76-（-44.96）=46.72dB
故其动态范围：A=A2（λ）-A1（λ）=44.69dB
此时将输入改变为λ=1310nm，而保持衰减器的弯曲程度不变：
此时，其最大损耗值A2（λ）=-1.01-（-5.20）=4.19dB
有知道其最小损耗值为A1（λ）=-1.01-（-1.69）=0.69dB
故其动态范围：A= A2（λ）- A1（λ）=3.25dB
七、实验总结
因为是第一次实验，是对第一次的对光纤的观测与实验的实践。
对于第一次的焊接光纤的技术再一次考察，其中，对一次只是对光纤焊接，却没有包装，这次好好感受了一把。
还有对于显微镜真心是感受了一把高大上，中学用的显微镜实在是，真心长知识了。
方便，精确。
先前只是知道，光纤弯曲会有损耗，这次可以定量地测量其损耗，对光纤的了解又上了一个层次。
要使功率计稳定下来，确实需要一定的功夫。
所以，导致读数可能没有那么完完全全的精确。
再第三个实验的时候，因为光纤的长度取得很长，本身的损耗就可能比较大，这也是导致有误差的一个原因。
在老师，以及同学的帮助下，顺利地完成本次实验，学到很多东西。
特别是对于精密仪器，及精密量的测量有深刻的认识。
附：实验原始数据。