光纤的损耗特性
高阶模功率损耗
(2)
红外吸收损耗是由于光纤中传播的光 波与晶格相互作用时，一部分光波能量 传递给晶格，使其振动加剧，从而引起 的损耗。 Si-O键振动吸收,谐振吸收峰在 9.1、12.5、21 m，尾巴延伸至1.5~1.7 m，造成光纤工作波长的上限。
2. 杂质吸收损耗
光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬 等和OH－。 OH离子吸收： O-H键的基本谐振波长为2.73 m，与Si-O键的谐振波 长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在 1.39、1.24、0.95 m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。 金属离子吸收：金属杂质的电子结构产生的边带吸收峰（0.5~1.1 m)， 目前杂质含量低于10-9，其影响已可忽略。
(2) 波导散射损耗
在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些
随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤 芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光 纤中残留气泡和裂痕等等。
光纤芯径沿轴向不均匀（大于光波长尺度）造成导 模和辐射模间的能量耦合，使能量从导模转移到辐射 模，造成波导散射损耗（又称米氏散射），目前的光 纤制造水平，可将芯径的变动控制到 <1% ，相应的散 射损耗<0.03 dB/km，可以忽略。
1. 任何光纤波导都不可能是完美无缺的， 无论是材料、尺寸、形状和折射率分布 等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引 起光纤传播模式散射性的损耗，由于这 类损耗所引起的损耗功率与传播模式的 功率成线性关系，所以称为线性散射损 耗。
(1)
由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的损 耗称为瑞利散射损耗。 瑞利散射是一种最基本的散射过程， 属于固有散射。瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本 征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。 光纤在加热制造过程中的热骚动，造成材料密度不均匀， 进而造成折射率的不均匀（比光波长小的尺度上的随机变 化），引起光的散射--瑞利散射。大小与4成反比。在1.55 m波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.12~0.16 dB/km，仍 是该波段损耗的主要原因。显然，若能在更长波长区域内 工作，瑞利损耗的影响将会减小（3 m处约0.01 dB/km)， 但受限于石英光纤的材料损耗（红外吸收）。采用新型材 料的光纤可望在远红外区域获得更低的损耗－氟化物光纤。
1. 2. 3.
本征吸收损耗 杂质吸收损耗 原子缺陷吸收损耗
1.
本征吸收损耗在光学波长及其附近有 两种基本的吸收方式。 (1) 紫外吸收损耗 紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子 流将光纤材料中的电子从低能级激发到 高能级时，光子流中的能量将被电子吸 收，从而引起的损耗。吸收峰在0.16m, 尾巴延伸至光纤通信波段 , 在短波长区达 1dB/km,长波长区约0.05 dB/km。
OH－吸收峰
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)
3.
通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或
光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶 格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损 耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。
2. 光纤中存在两种非线性散射，它们都
与石英光纤的振动激发态有关，分别为
受激喇曼散射和受激布里渊散射。
3.1.3
光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率 半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们 习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴 线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习
惯称为微弯。
宏弯：在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避
3.1 光纤的损耗特性
光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，
而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减
作用，称为光纤的损耗（或衰减）。
光纤的损耗限制了光信号的传播距离。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。
3.1.1
吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属 离子和氢氧根离子 (OH－) 等杂质对光的吸收而产生的 损耗，包括:
800
人死亡 1 rad(Si) = 0.01 J/kg
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
3.1.2 散射损耗
空气中浮游着无数的烟雾、尘粒，光照 射到这些微粒上，微粒把光朝四面八方散 射，微粒越多，光柱越亮，光的散射损耗 越大，照射的距离也就越短。这种散射叫 分子散射。一切物质都由分子构成，光纤 材料也不例外，所以散射损耗不可避免。 另有一种散射是由光纤材料的内部结构 不完整所引起，比如光纤中有气泡、杂质， 粗细不均匀，特别是纤芯包层的界面不平 滑，光传输到这里，也会被散射到各个方 面。
免地出现弯曲。光纤有一定曲率半径的弯曲时就会产
生辐射损耗。当曲率半径减小时，损耗以指数形式增
加。
场分布
Cladding
q < q q q > qc q
消逝场
Core
q q
R
高阶模比低阶模容易发生宏弯损耗侧压力和套塑光
纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层
第三章 光纤中的信号劣化
3.1 光纤的损耗特性 3.2 光纤的色散特性
3.4 单模光纤的优化设计
相关问题：
光纤中信号衰减的机理是什么样的？ 为什么光信号在光纤中传播的时候会 产生失真？ 失真会严重到什么程度？
即使是最好的光纤，光从它的一端传到 另一端，强度也会有所减弱。光纤中的信 号劣化与光纤的传输特性有关。光纤的传 输特性主要是指光纤的损耗特性、色散特 性和非线性特性。
和套塑的热膨胀系数不一致而引起的，
其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变
换引起的。微弯导致了导播模与泄漏模 或非导波模之间的重复性能量耦合。
微弯损耗
微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均 成缆时受到压力不均 使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同 导致的后果： 造成能量辐射损耗
低阶模功率耦合到高阶模
光传输线路与设备维护-光纤传输特性 -损耗
（2）散射损耗
由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的损耗称为瑞利散 射损耗。
光纤制造中，结构上的缺陷会引起与波长无关的散射损耗。
三．弯曲损耗
○ 光纤的弯曲会引起辐射损耗。 ○ 决定光纤衰减常数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗，
弯曲损耗对光纤衰减常数的影响不大 。
四．衰减系数
光纤传输特性 -损耗
1．光纤的损耗Байду номын сангаас性
光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率强 度会逐渐减弱，光纤对光波产生了衰减作用，称为光 纤的损耗。
光纤的损耗限制了光信号的传播距离。
光纤的损耗主要因素
固有损耗
○ 吸收损耗 ○ 散射损耗
弯曲损耗/外部损耗 应用损耗
1. 吸收损耗 ● 光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的损耗，包括紫外吸收、
光纤的衰减系数是指光在单位长度光纤中传输时的衰 耗量，单位一般用dB/km。它是描述光纤损耗的主要 参数。
光纤的特性
谢谢
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。
光纤的损耗特性教案(精)
知识点光纤的损耗特性
一、教学目标：
理解光纤的损耗特性
二、教学重点、难点：
重点掌握光纤的损耗特性和损耗影响。
三、教学过程设计：
1.知识点说明
为了保障光纤通信线路的可靠性和使用寿命，光纤的损耗特性是非常重要的性能参数。
2.知识点内容
1）损耗的概念
2）光纤的损耗特性
3.知识点讲解
3）讲解损耗的定义及计算公式，损耗系数的定义和概念，以及何种因素引起了光纤的损耗。
4）讲解光纤的损耗变化曲线，光纤的3个工作窗口对应的损耗，举例说明损耗在光通信中对信号损耗的影响，以及对传输容量的影响。
四、课后作业或思考题：
1、光纤的三个工作窗口和损耗的关系？
一般的光纤在波长0.7～1.6μm之间有三个衰耗高峰，每两个衰耗峰之间有一个相对低的衰耗区域，这三个波长区域被用作光纤通信的可用波长段。
光纤有三个低损耗窗口：（1）0.85μm附近，损耗2 ～4dB/km;（2）1.31 μm附近，损耗约0.5dB/km;（3）1.55 μm附近，损耗约0.2dB/km。
五、本节小结：
为了保障光纤通信线路的可靠性和使用寿命，光纤的损耗特性是非常重要的性能参数。
光纤的分类及比较(包括各种单模光纤的色散及衰减特性)
4 对各种单模光纤特性的比较
• G652 • G653 • G654 • G655
1 ）G652光纤又被称为标准单模光纤，这种光纤是目前应用在1310nm窗口的最广泛的零色散波长的单模光纤。
2）其特点是当工作波长在1310nm时，光纤的色散很小，约为3.5ps/nm*km,系统的传输距离基本上只受光纤衰减所限制；但在1550nm波段色散较大，约为20ps/nm*km。
1）G654光纤又称为非零色散光纤，这是一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在1550nm处，而在1525nm或1585nm处。 2）零色散光纤同时削减了色散效应和四波混频效应，所以非零色散光纤综合了标准单模光纤和色散位移光纤，有比较好的传输特性，特别适合于高密度的波分复用系统的传输。
G655
A(l) = 10lg p1 (dB)
p2
p1、p2分别为光纤注入端和输出端的光功率。 （ dB与dBm）
光纤损耗（衰减）的定义
若光纤是均匀的，则还可以用单位长 度的衰减即衰减系数α来表示：
a (l) = 1 A(l) = 1 10 lg p1 (dB / km)
L
L
p2
光脉冲注入光纤后，长距离传输后脉冲的宽 度被展宽
色散补偿技术
当前，发展比较成熟的、主流的色散补偿技术主要是采用色散补偿光纤（DCF）来进行色散补偿。其主要技术是在每个（或几个）光纤段的输入或输出端通过放置 DCF色散补偿模块（DCM），周期性地使光纤链路上累积的色散接近零，从而可以使单信道1550nm外调制光纤干线的色散得到较好的补偿。
因此，对于超长距离的光纤传输，现有的色散补偿技术可以相对较好的解决色散问题，对于超远距离的传输，其首要考虑的因素是光纤的衰减特性。
ps/nm·km
光纤的弯曲损耗
光纤的弯曲损耗
光纤的弯曲损耗是光纤损耗特性的一种。
由于光纤需要在不同的环境中进行安装，因此其必须具有一定的弯曲性。
根据光纤弯曲的程度不同，光纤的弯曲损耗可以分为宏弯损耗和微弯损耗。
宏弯损耗是由于整个光纤轴线的弯曲所引起的。
当光束在光纤的直或平的部分与光纤的轴线形成临界传播角时，它能够正常地在光纤中传播。
然而，当同一光束射到光纤弯曲部分的边界处时，其传播角会增大并可能超过临界值，从而导致光束在弯曲的光纤中无法满足全内反射的条件。
这意味着部分光束会从光纤的纤芯中逃离出去，到达目的地的光功率会比从光源发出的进入光纤时的光功率小，从而产生宏弯损耗。
这是造成光在光纤中传播时所产生的总衰减的最主要原因之一。
微弯损耗则是由光纤轴线的微小畸变所引起的。
纤芯包层接口在几何上的不完善可能会导致在相应区域上出现微观的凸起或凹陷。
当光束以临界传播角在这些不完善点处进行反射时，其传播角可能会发生变化，从而不再满足全内反射的条件。
这会导致部分光束被折射掉，即它们会从纤芯中泄露出，从而产生微弯损耗。
由于没有直接的方法来消除产生光功率损耗的原因，因此在弯曲光纤时需要格外小心。
为了最大限度地减少这种损耗，应该尽量保持光纤的直或平，并避免任何可能导致其发生畸变的因素。
光纤中产生传输损耗的原因
光纤中产生传输损耗的原因
光纤在现代通信领域中被广泛应用，然而在光信号传输的过程中，会产生一定
的传输损耗。
这些损耗的主要原因包括以下几点：
1. 吸收损耗：光纤中的材料对光的能量有一定的吸收，并将其转化为热能。
这
种吸收导致光信号能量的减弱，从而造成传输损耗。
2. 散射损耗：光纤中杂质、不均匀性或结构缺陷会导致光信号的扩散或散射，
使光信号能量在传输过程中损失。
散射损耗可分为Rayleigh散射、Mie散射和弹性散射等几种形式。
3. 弯曲损耗：光纤在弯曲或弯折的情况下，由于光信号的传播路径不再是直线，会导致信号的散失。
较小的弯曲半径和较大的弯曲角度都能引起更大的传输损耗。
4. 线性损耗：光纤中的材料具有一定的透光率，因此光信号会沿着光纤的长度
方向逐渐减弱。
这种线性损耗主要由光纤本身的特性引起。
5. 热效应损耗：光信号的强度与光纤的温度密切相关，当光纤发生温度变化时，光信号的强度也会相应发生变化。
热效应损耗主要包括热导、热辐射和热吸收等。
6. 耦合损耗：光纤系统中，光源、光纤和接收器之间存在着光信号的耦合过程，而耦合过程中会产生一定的能量损失，从而导致传输损耗。
了解和掌握这些光纤中产生传输损耗的原因，对于光纤通信系统的设计和维护
具有重要意义。
在实际应用中，科学有效地减小这些损耗，提高光信号的传输质量和效率，将会对光纤通信技术的发展产生积极的影响。
光纤的损耗特性PPT教学课件
主要内容
• 一、损耗的定义 • 二、损耗的种类及其产生原因 • 三、损耗波谱特性
损耗的定义
当光在光纤中传输时，随着传输距离的增
加，光功率逐渐减小，这种现象即称为
光纤的损耗。损耗一般用损耗系数α表
示：
10 lg Pi
L Po
(单位：dB/km)
• 损耗大小影响光纤的传输距离长短和中
3．三处最有可能发展成为城 市的是哪一处？为什么？除此 而外，你知道哪些地方还分布 有较大的城市？ 4. 综上所述，影响聚落形成 和发展的因素有哪些？
乡村的分布：乡村民居有的集中， 有的分散，大多依山傍水，沿河流、 山麓或公路、铁路分布。
城市的分布：城市是由乡村发展
而来的，在干流与支流汇合处，或 河流入海处，往往形成比较大的城市。
沿河流而建，屋顶坡度大，墙体单薄，门窗 较大。因南方降水量大，气温高。
形成和发展
聚 落
形式
分布
与地理环 境的关系
世界民居
1、城市与乡村的差异表现在 A乡村的道路较城市密集、错综复杂。 B人口的职业构成有较大的差异 C功能差别，乡村功能较为复杂 D人口密度不同，乡村人口稠密 2、下列哪种条件不利于聚落的形成 A水源充足 B交通便利 C自然资源丰富 D崎岖山地
6、读下图，北非的民居的屋顶大多是平顶。
这是为什么？
• 北非气候干旱，屋顶建成平顶还可晾晒农 产品。
7、民居临湖分布的现象相当普遍，在支流与干流汇 合处，或者河流入海处，往往形成比较大的城市。你 能解释这些现象吗？
临河临湖分布，水运交通便利，有利于物资 和人员的集散，容易形成较大城市。
课下搜集有关北极地区因纽特 人的冰屋、我国黄土高原的窑洞、 云南西双版纳地区的傣族竹楼的资 料和图片，试比较它们与当地自然 环境的关系。
第八讲 光纤的损耗
1.4.1.3.1 基本概念 衰减是光波经光纤传输后光功率减少量一种度量， 是光纤一个最重要传输参数，它取决于光纤工作窗口 和长度。
衰减：光在光纤中传输时，平均光功率沿传输光
纤长度Z方向按指数规律递减现象称为光纤衰减（或称 损耗、衰耗）。设在波长λ处，光纤长度为Z=L，衰减 定义：
使水分与光缆中的金属加强材料发生氧化反应，置换出
氢气，引起氢损。
Zn+H2O=H2↑+ZnO 其二，光纤防水石油膏（称纤膏）引入的氢气造成氢损。
21
3、原子缺陷吸收衰减（非本征吸收衰减）
原子缺陷吸收衰减是由于光纤在加热过程或者在强
烈辐照下，造成玻璃材料受激产生原子缺陷吸收衰减。 从光纤拉丝成型过程角度分析，当将光纤预制棒加热到 拉丝所需温度1６00-2300℃时，采用骤冷方法进行光纤 拉丝，虽然可在光纤制造过程中，内部原子结构排列形
OH根的吸收谱（浓度10-4）
19
2、杂质吸收衰减（非本征吸收衰减） （3）、由氢气导致的吸收衰减 光纤在氢气氛中将会产生氢损。氢损有二种型式： A 、 H 2 分子由于扩散作用而进入光纤，当光源波长滿足 氢分子某二个能带的带隙Eg=hγ的波长时，氢分子将发 生吸收光子的作用过程，使光能量降低，由H2吸收产生 能量损耗，即称之为氢损。这种氢损是可逆的，当光纤
35
微弯损耗
微弯的原因：
光纤的生产过程中的带来的不均； 成缆时受到压力不均； 使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同。 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
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减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套
2
1.4 .1 .3 光纤的衰减特性
光纤损耗特性及色散特性
本征吸收：是光纤基础材料（SiO2）固有吸收，与波长有关， 对于SiO2石英系光纤，主要有两个吸收带，紫外吸收带和红 光吸收带。 杂质吸收：是由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗， 例如金属过渡离子和水的氢氧根离子吸收电磁能而造成的损 耗。
散射损耗
光在通过密度或折射率等不不均匀的物质时， 除了在光的传播方向以外，在其他方向也可以 看到光，这种现象称为光的散射。 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，由此产生的损耗为散射损耗。 散射损耗中主要是瑞利散射和结构缺陷散射对 光纤通信的影响比较大。
瑞利散射
属于光纤的本征散射损耗，主要是由于光纤材 料的折射率随机性变化而引起。 材料折射率变化是由于密度不均匀或内部应力 不均匀而产生。 瑞利散射损耗与光波长的四次方成反比，随波 长的增加而急剧减小，在短波长0.85um处对 损耗的影响最大。
结构缺陷散射
光纤在制作过程中，由于结构缺陷（如光纤中 的气泡、未发生反应的源材料以及纤芯和包层 交界处粗糙），将会产生散射损耗，与波长无 关。
色散特性
光纤色散就是由于光纤中光信号中的不同频率 成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速 度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信 号中的不同频率成分或不同模式到达光纤端有 先有后，从而产生波形畸变的一种现象。 由于光纤中色散的存在，会使得输入脉冲在传 输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率， 限制通信容量和传输距离。
色散的表示方法
色散的大小用时延差表示。 时延是指信号传输单位长度时所需要的时间。 时延差是指不同速度的信号，传输同样的距离， 需要不同的时间，即各信号的时延不同，这种 时延上的差别，称为时延差。
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。