第3章光纤的传输特性
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)
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3A t
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光纤技术及应用第三章
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)
光纤通信课后习题参考答案-邓大鹏
光纤通信课后习题参考答案-邓大鹏第一章习题参考答案1、第一根光纤是什么时候显现的？其损耗是多少？答：第一根光纤大约是1950年显现的。
传输损耗高达1000dB/km左右。
2、试述光纤通信系统的组成及各部分的关系。
答：光纤通信系统要紧由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
系统中光发送机将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤光缆，调制过的光信号通过光纤长途传输后送入光接收机，光接收机将光纤送来的光信号还原成原始的电信号，完成信号的传送。
中继器确实是用于长途传输时延长光信号的传输距离。
3、光纤通信有哪些优缺点？答：光纤通信具有容量大，损耗低、中继距离长，抗电磁干扰能力强，保密性能好，体积小、重量轻，节约有色金属和原材料等优点；但它也有抗拉强度低，连接困难，怕水等缺点。
第二章光纤和光缆1．光纤是由哪几部分组成的？各部分有何作用？答：光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和不处的涂覆层组成的。
纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是爱护光纤不受水汽的腐蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
2．光纤是如何分类的？阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布是如何表示的？答：（1）按照截面上折射率分布的不同能够将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光纤；按光纤中传输的模式数量，能够将光纤分为多模光纤和单模光纤；按光纤的工作波长能够将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤；按照ITU-T 关于光纤类型的建议，能够将光纤分为G .651光纤（渐变型多模光纤）、G .652光纤（常规单模光纤）、G .653光纤（色散位移光纤）、G .654光纤（截止波长光纤）和G .655（非零色散位移光纤）光纤；按套塑（二次涂覆层）能够将光纤分为松套光纤和紧套光纤。
（2）阶跃型光纤的折射率分布 () 21⎩⎨⎧≥<=a r n a r n r n渐变型光纤的折射率分布 () 2121⎪⎩⎪⎨⎧≥<⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=a r n a r a r n r n c m α 3．阶跃型光纤和渐变型光纤的数值孔径NA 是如何定义的？两者有何区不？它是用来衡量光纤什么的物理量？答：阶跃型光纤的数值孔径 2sin 10∆==n NA φ渐变型光纤的数值孔径 ()() 20-0sin 220∆===n n n NA c φ 两者区不：阶跃型光纤的数值孔径是与纤芯和包层的折射率有关；而渐变型光纤的数值孔径只与纤芯内最大的折射率和包层的折射率有关。
光纤通信系统PPT课件
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现代通信系统 第4章 光纤通信系统
❖按传输波长分类 (1)短波长光纤
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现代通信系统 第4章 光纤通信系统
(3)三角形光纤 纤芯折射
率分布曲线为 三角形。
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现代通信系统 第4章 光纤通信系统
光纤折射率分布曲线 39 .
现代通信系统 第4章 光纤通信系统
❖按传导模的数目分类： 传导模指能够在光纤中远距离传输的传
播模式。 (1)多模光纤
当纤芯的几何尺寸（直径一般为50μm） 远大于光波波长(如1.55μm)时，光纤剖面折 射率分布为渐变型，外径125μm。光纤传输 的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模 式，称为多模光纤。
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现代通信系统 第4章 光纤通信系统
(2)单模光纤 当纤芯的几何尺寸较小（一般为
8μm～10μm），与光波长在同一数量级， 这时，光纤只允许一种模式（基模）在 其中传播，其余的高次模全部截止，这 样的光纤称为单模光纤。
单模光纤的折射率分布多呈阶跃性。
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现代通信系统 第4章 光纤通信系统
目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒 质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础 设施的支柱。
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现代通信系统 第4章 光纤通信系统
光纤通信系统是以光导纤维和激光 技术、光电集成技术为基础发展起来的 通信系统，它具有频带宽、重量轻、体 积小、节省能源，主要用于大容量国际、 国内长途通信干线，也用于短局间中继。 我国今后不再敷设新的长途电缆线路， 而全部采用光缆。
实用的光纤通信系统一般都是双向 的，每一端都有光发送机、光接收机和 电发送机、电接收机并且每一端的光发 送机和光接收机做在一起，称为光端机， 电发送机和电接收机组合起来称为电端 机。同样，中继器也有正反两个方向。
光纤传输理论
当光纤纤芯直径很小时，光纤内对给定工 作波长只能传播一个模式，称为单模光纤 （Single Mode Fiber,SMF）。纤芯直径较 大的光纤可传输多个模式，称为多模光纤 （Multimode Fiber,MMF）。 单模光纤与多模光纤的外径（包层直径） 均为125μm，多模光纤芯径50μm或 62.5μm ，单模光纤芯径8—10μm。
关键的名词和概念
可传播的模式数
1 2 M V 2
阶跃折射率光纤中的传输模式数M取决于光纤纤芯半径a、纤芯折 射率n1、包层折射率n2和光波长λ。
单模传输条件
单模光纤只能传输一个模式，即HE11模，称为光纤的基模。基模不会截止。
V 2.405
单模条件
V (2 / )an1 2 2.405
光纤的衰减
• 造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压， 杂质，不均匀和对接等。 • 本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射， 固有吸收等。 • 弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射 而损失掉，造成的损耗。 • 挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造 成的损耗。 • 杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播 的光，造成的损失。 • 不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损 耗。 • 对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴 （单模光纤同轴度要求小于0.8μm），端面与轴 心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质 量差等。
极限情况下泵浦光都用于放大信号光，那么此时：
PCE Ps ,out Pp ,in
p 1 s
噪声指数为输入信噪比与输出信噪比的比值
SNR(0) NF SNR( L)
SNR (0) I
2
s2
( RP0 ) P0 2q ( RP0 )f 2hvf
光通信技术课后答案-第三章
第三章 光通信信道专业通信103班 代高凯 201027209 3-2.什么是阶跃光纤？什么是渐变光纤？答：光纤按照折射率的分布分类，可分为阶跃光纤和渐变光纤。
(1).阶跃光纤是指在纤芯和包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其值分别是n1与n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的，折射率分布的表达式为⎪⎩⎪⎨⎧≤<≤=21)2()1()1()(a r a n a r n n r ，， 阶跃光纤是早起光纤的结构方式，后来在多模光纤中逐渐被渐变光纤取代，但是它用来解释光波在光纤中的传播还是比较形象的。
(2).渐变光纤是指光纤轴心处的折射率n1最大，而随沿剖面径向的增加而逐渐减小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的，即为n2⎪⎩⎪⎨⎧≤<≤∆-=2121211)()(21a r a n a r a r n n r ，， 式中，n1为光纤轴心处的折射率；n2包层区域的折射率；a1为纤芯半径；121n n n -=∆称为相对折射率差。
3-4.什么是单模光纤？什么是多模光纤？答：光纤按照传播的模式分类，可分为多模光纤和单模光纤。
(1).当光纤的几何尺寸（主要是纤径直径d1）远远大于光波波长（约1μm ）时，光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式。
不同的传播模式会有不同的传播速度与相位，因此经过长距离的传输之后会产生时延，导致光脉冲变宽。
这种现象叫做光纤的模式色散（又叫模间色散）。
计算多模光纤中除传播模式数量的经典公式为4/2V N =，其中V 为归一化频率。
模式色散会使许多多模光纤的带宽变窄，降低其传输容量，因此多模光纤仅适用于较小容量的光纤通信。
多模光纤的折射率分布大都为抛物线分布，即渐变折射率分布，其纤芯直径d1大约为50μm 。
(2)根据电磁场理论与求解麦克斯韦方程组发现，当光纤的几何尺寸（主要是芯径）可以与波长相比拟时，如芯径d1在5~10μm 范围，光纤只允许一种模式（基模HE11）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤，由于它只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤通信，但是必须满足 归一化频率4048.221≤=NA a V λπ光纤的纤芯半径NAa πλ2024.11≤ 3-7.光纤损耗主要有几种原因？其对光纤系统有何影响？答：光纤损耗主要包括：（1）吸收损耗(Absorbtion)—由制造光纤材料本身及其中的过渡金属离子和氢氧根粒子（OH-）等杂质对光的吸收而产生的损耗，包括本征吸收损耗、杂质吸收损耗、原子缺陷吸收损耗。
《光纤通信技术》 课程大纲
《光纤通信技术》课程大纲《光纤通信技术》课程大纲课程名称：光纤通信技术课程类别：核心课学分：4学分适用专业：通信工程专业、计算机应用专业先修课程：数字通信原理、数据通信原理一、课程的教学目的《光纤通信技术》是信息与通信工程学科一门重要的专业课程。
课程定位为需要学习通信工程、计算机通信技术等专业，从事信息通信、计算机、网络等相关行业的学员。
光纤通信系统具有低的传输损耗和宽的传输频带的特点，成为高速数据业务的理想传输通道。
课程以光纤的导光原理和激光器的发光原理为基础内容，同时涵盖了各种实用光网络技术。
课程以提高学生基本技能素质与新技术、新手段的应用能力为目标，培养能满足光纤网络工程的规划建设、系统调测、电信核心网络和接入网络的工程等需要的应用型人才。
为了更好地掌握本课程的知识，每章后面均附有大量的习题，并对主要知识点进行了总结。
鉴于本课程是实践性很强的专业课程，其教学内容既包括理论学习内容，又涵盖与之相关的实践实验活动内容，为以后学习光纤通信工程新技术打下基础。
二、相关课程的衔接学习本课程需要先修《数字通信原理》、《数据通信原理》等专业基础课程以及《现代交换技术》、《宽带接入技术》等相关课程；后续课程包括《光网络》、《多媒体通信》等。
三、教学的基本要求要求掌握《光纤通信技术》的基本概念、工作原理，了解相关扩展知识。
熟练进行光纤通信技术的工程分析及工程计算。
熟悉实验原理及内容，能够利用所学基本知识完成简单电路的分析和设计。
四、课程教学方法下载教学内容导学、详解、实时辅导、教案、综合练习题等资料。
为了更好地掌握本课程的知识，每章后面均附有大量的习题，并对主要知识点进行了总结。
本课程含有实验，使本课程更多地与实践接轨，为以后学习光纤通信工程新技术打下基础。
五、课程考核方式本学期将安排4次阶段作业。
每次作业计10分，共计40分。
作业类型为客观题，可重复提交，直至分数满意为止。
考试：本课程的考试采用开卷的形式，由于本课程的计算量较大，建议学生熟练使用计算器。
光纤光缆知识培训
光纤光缆知识培训一、光纤光缆的基本概念光纤光缆是一种用于传输光信号的通信线路，它由一根或多根纤维组成，每根纤维都是以光波导的形式将光信号进行传输。
光纤光缆能够实现宽带、高速、远距离传输，并且具有抗干扰能力强、信息安全性高的优点。
光纤光缆的基本构造包括光纤芯、包层和护套。
光纤芯是传输光信号的主体，其材料通常为二氧化硅。
包层用于包裹光纤芯以提高光纤的抗折和抗拉性能，通常采用二氧化硅或者氟化聚合物。
护套则是用于保护整根光缆的材料，一般为聚乙烯或者聚氯乙烯等塑料材料。
二、光纤光缆的传输特性1. 带宽大：相比于传统的铜质电缆，光纤光缆的带宽更大，能够支持更高速的数据传输。
2. 传输距离远：光纤光缆能够实现较长距离的信号传输，通常能够实现几十公里到上百公里的传输距离。
3. 信号衰减小：光纤光缆的信号衰减非常小，可以在长距离内保持信号的稳定传输。
4. 抗干扰性强：由于光信号是以光波导的形式进行传输，光纤光缆具有良好的抗干扰性，能够在电磁干扰较严重的环境下实现稳定的传输。
5. 信息安全性高：光纤光缆传输的是光信号，而非电信号，因此很难被窃听，具有较高的信息安全性。
三、光纤光缆的应用领域1. 通信网络：光纤光缆是构建光纤通信网络的关键基础设施，其宽带、高速、远距离传输的特性使得其被广泛应用于长途、城域通信网的建设。
2. 数据中心：在数据中心网络中，光纤光缆能够提供高速、大容量的数据传输，以满足大数据处理和云计算等应用的需求。
3. 工业自动化：光纤光缆的抗干扰性强，使得其在工业自动化领域得到广泛应用，用于传输各类传感器信息、控制信号等。
4. 医疗领域：光纤光缆被广泛应用于医疗设备中，用于传输医学图像、激光手术器械等。
5. 军事领域：由于其信息安全性高的特性，光纤光缆在军事通信和指挥控制系统中得到广泛应用。
四、光纤光缆的安装和维护1. 安装前的准备：在进行光纤光缆的安装前，需要对线路进行详细的规划设计，包括线路路径选择、光缆类型选择等。
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单模光纤的波长色散
? 材料色散和波导色散都与频率(波长)有关，统称为波长 色散或GVD(Group Velocity Dispersion，群速度色散)
? 群速度是表征光信号包络传播速度的量
相速度：v p
?
? ?
群速度： vg
?
d? d?
色散系数
单位长度光纤上光信号的群时延： ? d
?
1 vg
?
? 折射时色散的本质：
? 不同频率的光波其速度不同
? 色散对光信号包络传播的影响
? 包络展宽
? 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
? 模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散 ? 模式色散影响机理
? 信号光入射进光纤，可激励起多种模式（理论上无穷多） ? 多模光纤中若干携带光信号能量的模式均可传播，且速度各
不相同 ? 时延差导致信号脉冲展宽，影响光纤的带宽距离积
? 显然，多模光纤中能够传播的模式越多，模式色散就 越严重，其带宽距离积就越小
光纤损耗的表示方法
? 光信号在光纤中传输时，信号的光功率将逐渐 变小，总的变小量就是这段光纤的损耗
? 一段光纤的损耗用 dB表示 ? 一般用衰减系数 ? 表示光纤的损耗特性
? ? ?
? 10 lg Pin
L
Pout
dB km
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
单模与多模光纤损耗对比
? 单模光纤损耗要小一些 ? 原因包括以下几点：
? 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 ? 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 ? 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 ? 为什么工作波长不能选择得更长一些？ ? 卤化物光纤
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
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
? 损耗 ? 加性噪声 ? 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
? 线性损伤
? 加性噪声
? 多模光纤中可存在模式噪声，单模光纤中噪声可忽略不计
? 损耗 ? 外部串扰，可忽略不计 ? 色散造成的信号畸变 ? 内部串扰，来源于光纤的非线性
? 非线性损伤
? 光纤非线性造成的信号畸变 ? 乘性噪声，可忽略不计
3.2 光纤的损耗特性
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？
? 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：截断法、插入损耗法、背向散射法 ? 截断法
? 截断的目的：保证注入的一致性 ? 误差来源
? 高阶模功率、近端和远端出射率的不同、光源的稳定性和光功率 计的线性
? 散射损耗
? 瑞利散射 ? 米氏散射
? 弯曲损耗
? 宏弯和微弯
光纤的损耗谱
耗损
100 50
10 5
dB /1 km 0.5
0.1 0.05
瑞利散射 紫外吸收
实验值 OH-吸收
波导缺陷
0.01 0.8
1.0
1.2 1.4
波长λ(um)
红外吸收 1.6 1.8
降低光纤损耗的方法
? 工作波长选择
? 选择在低损耗窗口
d? d?
色散系数（单位波长间隔的群时延差）：
D(? ) ? d? g ? d ( d? d? ) d? d? d? d?
? 消除方法：单模传输
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 ? 消除方法：
? 减小光纤的双折射 ? 尽可能增强光纤的双折射，使一个方向的偏振模占主导地位 ? 绝对单模光纤
? 插入损耗法
? 误差来源：
? 除上述误差这外，还引入了活动连接器误差
? 背向散射法
? 误差来源：
? 背向散射的不均匀性
3.3 光纤的色散
色散的含义
? 色散的原义：
? Separation of visible light into colors by refraction or diffraction；可见光通过折射或衍射而分散成多种颜色[美国传 统辞典（双解）]
? 超纯原料
? 降低过渡金属离子浓度
? 生产工艺
? 减小不均匀性 ? 减小OH-离子的引入
? 光纤保护
微弯损耗和宏弯损耗机理
? 宏弯损耗
? 宏弯引起截止波长变短，功率因子下降
? 微弯损耗
? 微弯产生模式耦合，一些能量转移到了不能 传输的高阶模上，造成损耗
光纤的典型损耗特性
? 890nm
? 3dB/km
? 减小信息速率，增大光脉冲间隔 ? 减少传输距离，降低脉冲展宽程度
? 归纳：
? 光纤的色散直接影响其传输带宽距离积 ? 色散越大，带宽距离积越小
光纤色散的种类
? 模式色散? 多模色散 ?来自偏振模色散? 波长色散
? 材料色散 ? 波导色散
单模光纤 中依然存在
多模色散
? 对阶跃光纤的特征方程求解，可知不同的模式，即使 光波频率相同，其传播速度也存在差异
? 1310nm
? 0.5dB/km(典型值为0.35dB/km)
? 1550nm
? 0.3dB/km(典型值为0.2dB/km） ? 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