光纤的传输特性
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。
第四章-光纤简介
子午光线的传播
子午面：通过光纤中心 轴的任何平面。 子午线：位于子午面内 的光线。
n0
n2 n1
子午光线的入射光线、反射光线和分界面的法线三者均在子午面内。 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 大于或等于临界角 0，即 n sin 0 ＝ 2 ， ≥ 0 ＝ arcsin [n2/n1] n
四 光纤器件
光纤耦合器
当两光纤纤芯相互充分靠近时，通过包层中消逝场的互相 渗透而产生光纤间能量的耦合，其中一部分变为传输模， 这就使得功率可以互易地从一根光纤转换到另一根光纤中 去，功率转移比由纤芯距离和相互作用长度决定。
制作光纤耦合器的方法：熔拉法和磨抛法
磨抛型单模光纤定向耦合器
光纤与光源的耦合
Mach-Zehnder 光纤滤波器
PZT 1 L + L 3
2
3dB耦合器
2、波导色散：由于某一传播模的群速度对于光的频率（或波长）不是常数， 同时光源的谱线又有一定的宽度，因而产生波导色散。
3、材料色散：由于光纤材料的折射率随入射光频率变化而产生的色散。
4、偏振模色散：一般的单模光纤中都同时存在两个正交模式。若光纤的结 构为完全的轴对称，则这两个正交偏振模在光纤中的传播 速度相同，即有相同的群延迟，故无色散。实际的光纤必 然会有一些轴的不对称，因而两正交模有不同的群延迟， 这种现象称之为偏振模色散。
a--纤芯半径，=1~ 10时，趋近阶跃型 r a 当» 当=1时，三角型（色散位移） r a 当=2时，平方律分布
相对折射率差
2 n12 n2 n1 n2 2 2n1 n1
在石英光纤中 n1 1.5
0.01
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。
光在光纤中的传播特性如何？
光在光纤中的传播特性如何？在我们的日常生活和现代通信领域中，光纤扮演着至关重要的角色。
它是信息高速传输的通道，使得我们能够快速地进行语音通话、观看高清视频、传输大量数据等等。
而要理解光纤通信的神奇之处，就必须深入探究光在光纤中的传播特性。
首先，让我们来了解一下光纤的基本结构。
光纤通常由纤芯、包层和涂覆层三部分组成。
纤芯是光传播的核心区域，其折射率较高；包层则围绕着纤芯，折射率相对较低。
这种折射率的差异是实现光在光纤中有效传播的关键。
光在光纤中传播的一个重要特性是全反射。
当光从折射率高的纤芯射向折射率低的包层时，如果入射角足够大，光就会在纤芯和包层的界面上发生全反射。
这就好比光在一个光滑的镜子里来回反射，而不会“逃出”镜子。
由于这种全反射现象，光能够在光纤中沿着纤芯持续传播，从而实现远距离的传输。
为了更好地理解全反射，我们可以想象一下在游泳池底部的灯光。
当灯光从水（相当于纤芯）射向空气（相当于包层）时，如果角度合适，光线会在水面上完全反射回来，而不会折射到空气中去。
在光纤中，光就是以这样的方式被“束缚”在纤芯内部，不断地进行全反射，从而实现了高效的传输。
光在光纤中的传播还具有低损耗的特点。
这意味着光信号在经过长距离传输后，其强度衰减相对较小。
光纤的材料选择和制造工艺对降低损耗起着关键作用。
高质量的光纤材料能够减少光在传播过程中的吸收和散射，从而保证光信号能够在数千公里甚至更远的距离上保持较好的强度和质量。
另外，光在光纤中的传播速度也是一个重要的特性。
光在真空中的传播速度是恒定的，但在光纤中，由于光纤材料的折射率，光的传播速度会变慢。
不过，尽管速度有所降低，光纤仍然能够实现高速的数据传输，这是因为光的频率极高，即使速度略有降低，在短时间内也能够传输大量的信息。
光纤的带宽也是其传播特性中的一个重要方面。
带宽决定了光纤能够传输的信息量和传输速度。
较高带宽的光纤可以同时传输更多的波长和频率的光，从而实现更高的数据传输速率。
光纤传感技术与光纤传输特性
光纤传感技术与光纤传输特性光纤传感技术是一种基于光纤的传感技术，通过光纤的物理特性实现对环境参数的测量和监测。
光纤传感技术具有许多优点，例如高灵敏度、快速响应、抗干扰性强等，因此在工业生产、医疗、环境监测等领域得到广泛应用。
光纤传感技术的基本原理是利用光的传输特性进行传感。
光纤是一种能够将光信号进行传输的导光系统。
光在光纤中通过内部的反射来进行传输，光纤的介质折射率高于外部介质，因此能够实现对光信号的隔离和保护。
通过在光纤中引入不同的光学元件和传感结构，可以实现对不同物理量的探测。
光纤传感技术可以应用于多个领域。
在工业生产中，光纤传感技术可以用于对温度、压力、位移等参数的测量和监测。
例如，在石油行业中，光纤传感技术可以应用于油井温度的实时监测，通过对温度的变化进行分析，可以判断油井的运行状态并做出相应的调整。
在医疗领域，光纤传感技术可以用于对生物体参数的监测。
例如，光纤传感技术可以应用于血压监测系统中，通过将光纤传感器与血管相连，利用光纤的光强变化来实现对血压的测量。
这种非侵入性的测量方式可以减少对患者的伤害，并且具有高精度和快速响应的特点。
光纤传感技术的另一个应用领域是环境监测。
光纤传感技术可以用于对空气质量、水质等环境参数的监测。
例如，在水质监测中，可以利用光纤传感技术对水中溶解氧、浊度等指标进行实时监测，通过对这些指标的分析，可以判断水质是否符合相关标准，并且在发现异常情况时能够及时报警。
除了用于传感的光纤，光纤传输特性本身也具有重要意义。
光纤传输具有高带宽、低损耗等特点，因此在通信领域得到广泛应用。
光纤传输技术可以实现大容量、远距离的信号传输，并且能够抵抗干扰，保证信号的稳定性和可靠性。
光纤传输技术已经成为现代通信网络的重要组成部分。
然而，尽管光纤传感技术具有许多优点，但也存在一些挑战和限制。
例如，由于光纤传感器的制备和安装需要高精度的技术和设备，因此成本较高。
此外，光纤传感技术对环境的要求也较高，受温度、湿度等因素的影响较大。
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
14
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。
13
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
15
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
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。
《光纤的传输特性》PPT课件
5
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非本征吸收
原材料将在光纤的制造过程中引入杂质，带来较 强的非本征吸收。有害杂质主要有过渡金属离子， 如铁、钴、镍、铜、锰、铬等金属离子和OH－。
OH－吸收峰
6
解决方法： (1)对制造光纤的材料进 行严格的化学提纯，比 如材料达到 99.9999999%的纯度 (2)制造工艺上改进，如 避免使用氢氧焰加热(汽 相轴向沉积法)
0.26
因此可以算出在1320 nm处， 波导色散为：
D w()n c2Vdd 2(V V 2)b1.9
24
精选ppt
标准单模光纤总的模内色散
一般来说材料色散的影响大于波导色散： |Dm| > |Dw|
DDmDw
1320
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模间色散
多模光纤中不同导模具有不同的传播路径和速度导致了 模间色散。
导致的后果： 造成能量辐射损耗
低阶模功率耦合到高阶模
高阶模功率损耗
减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套
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精选ppt
宏弯和微弯对损耗的附加影响
基本损耗 宏弯损耗
微弯 损耗
光纤弯曲带来额外损耗
V2 an1 2n2 21/22 aNA
增加，V减少
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弯曲损耗随模场直径增加显著增加
精选ppt
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精选ppt
PMD 对传输的影响
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精选ppt
色散对传输带宽的影响：宽谱光源
比较大的时候，单模光纤带宽：
BSMF1 /T 41D /4L GH z
例：考虑一个工作在1550 nm的系统，光源谱宽为15 nm，使用 标准单模光纤D = 17 ps/km·nm，那么系统带宽和距离乘积：
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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1.55
μm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
光纤内部的散射，会减小传输的功率，产生损耗。
散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纤材料内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及掺杂不均匀也会引起散射，产生损耗。
3、波导散射损耗
交界面随机的畸变或粗糙引起的模式转换或模式耦合所产生的散射。
在光纤中传输的各种模式衰减不同，长距离的模式变换过程中，衰减小的模式变成衰减大的模式，连续的变换和反变换后，虽然各模式的损失会平衡起来，但模式总体产生额外的损耗，即由于模式的转换产生了附加损耗，这种附加的损耗就是波导散射损耗。
要降低这种损耗，就要提高光纤制造工艺。
对于拉得好或质量高的光纤，基本上可以忽略这种损耗。
4、光纤弯曲产生的辐射损耗
光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。
由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。
当弯曲半径大于5～10cm时，由弯曲造成的损耗可以忽略。
另外还可以按以下损耗机理分类：
纤固有的损
耗，无法避免决定光纤的损耗极限)本征散
射
瑞利散射（材料折射率的不均匀
性引起）
长波长瑞利散射减小
非固有损耗（由材料和工艺引起）杂质吸
收
过渡金属离子和离子影响较大
离子的振动吸收造成0.95μm，1.24μm，1.39μm
处出现损耗峰
波导散
射
宏观上的不均匀可以通过改善制造工艺解决
形成光纤损耗的原因很多，其损耗机理复杂，计算也比较复杂。
降低损耗主要依赖于工艺的提高、相对材料的研究等。
光纤的色散特性
*************************************************************
概念：光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致信号畸变的一种现象。
在数字光纤通信系统中，色散使光脉冲发生展宽。
严重时，会导致光脉冲前后相互重叠，造成码间干扰，增加误码率。
所以光纤的色散不仅影响光纤的传输容量，也限制了光纤通信系统
的中继距离。
（1）光纤色散的表示法
常用的表示方法有三种：
1、色散系数D(λ)：单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差，其公式为：
式中，为单位长度光纤上的时延差，单位是ps/km；是光源上的线宽，单位为nm。
2、最大时延差：描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差，时延差越大色散越严重。
3、光纤带宽：用光纤的频率特性来描述光纤的色散。
经理论推导，光纤的带宽和时延差的关系为：
式中，B为光脉冲为高斯形，光功率下降3dB时的光纤每公里带宽；是光脉冲传输1 km的时延差，单位是ns/km。
（2）光纤色散的种类
1、模式色散
多模传输时同一波长分量的各种传导模式的相位常数不同，群速度不同，引起到达终端的光脉冲展宽的现象。
对于渐变型光纤，由于离轴心较远的折射率小，因而传输速度快。
离轴心较近的折射率大，因而传输速度慢。
结果使不同路程的光线到达输出面的时延差近似为零，所以渐变型多模光纤的模式色散较小。
对于多模光纤，模式色散通常占主导地位。
单模光纤只存在一个模式，所以，单模光纤没有模式色散。
2、材料色散
光纤材料的折射率随频率（波长)而变，可使信号的各频率（波长)群速度不同引起色散。
3、波导色散
模式本身的色散。
即光纤中某一种导波模式在不同的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散。
波导色散是光纤波导结构参数的函数。
D m 为材料色散，D w 为波导色散
•图为单模石英光纤中材料色散、波导色散及总色散与波长的关系。
总色散为材料色散、波导色散的近似相加。
•从图中可以看到，在某个特定波长下，材料色散和波导色散相抵消，总色散为零。
对普通的单模光纤。
总色散为零的波长1.31μm，这意味着在这个波长传输的光脉冲不会发生展宽。
在波长1.55μm，虽然损耗最低，但在该波长上的色散较大，如将零色散波长1.31μm移到1.55μm，这就是色散位移光纤(DSF)。
•这种低损耗色散的光纤，对长距离大容量光纤通信系统十分有利。
显然，为了把零色散波长从1.31μm移到1.55μm，可以增加波导色散的绝对值。
（3）非色散位移单模光纤、色散位移单模光纤
1、非色散位移单模光纤ITU-T G.652
G.652 称为非色散位移单模光纤，也称为常规单模光纤，其性能特点是：在1310nm 波长处的色散为零；在波长1550nm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km，但在1550nm 附近其具有大色散系数，为17ps/(nm•km)；这种光纤工作波长既可选在1310nm波长区域，又可选在1550nm波长区域，它的最佳工作波长在1310nm 区域；G.652 光纤是当前使用最为广泛的光纤。
2、色散位移单模光纤ITU-T G.653
G.653称为色散位移单模光纤。
色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致。
这种光纤工作波长在1550nm区域。
它非常适合于长距离、单信道光纤通信系统。
光纤的非线性特性
*************************************************************
（1）分类：
1、受激散射效应：
光通过光纤介质时，有一部分能量偏离预定的传播方向，且光波的频率发生改变，这种现象称为受激散射效应。
有两种形式：受激布里渊散射和受激拉曼散射。
2、折射率扰动：
光功率较高时，光强度会引起折射率的变化。
折射率扰动主要引起4种非线性效应：自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)、光孤子形成。
（2）作用：
1、反面的作用：引起传输信号的附加损耗、波分复用系统中信道之间的串话、信号载波的移动，等等。
2、正面的作用：用来开发放大器、调制器等新型器件，光孤子通信，等等。