光纤损耗与色散
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。
光纤典型衰耗曲线
光纤典型衰耗曲线
光纤的衰耗曲线描述了光信号随着传输距离而减弱的过程。
一般而言，光纤的衰耗主要包括两个主要成分：色散（Dispersion）和损耗（Attenuation）。
色散：色散是由于不同波长的光在光纤中传播速度不同而引起的。
它导致信号的波形发生扭曲。
有两种主要的色散：色散分为色散对波长的依赖性，即色散对光波长的敏感程度。
典型的色散曲线包括色散的两个主要类型：色散曲线和零色散波长。
损耗：损耗是光信号逐渐减弱的过程。
它可以分为吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗等。
通常，损耗与传输波长有关，不同波长的光在光纤中会有不同的衰减情况。
典型的光纤损耗曲线是一个呈指数下降的曲线，以dB/km为单位。
在通信光纤中，损耗通常在0.2 dB/km到0.5 dB/km的范围内。
不同类型的光纤（如单模光纤和多模光纤）以及不同的制造工艺都会导致略微不同的损耗曲线。
需要注意的是，具体的衰耗曲线还取决于光纤的波长、纤芯直径、材料质量等多个因素。
因此，具体的数据可能需要查阅相关厂商提供的光纤规格表或参考文献。
1。
光纤的损耗和色散
具体机理：在黑夜里向空中照射，可以看到 一束光束，人们也曾看到过夜空中的探照 灯发出粗大的光柱。为什么我们会看到这 些光柱呢？这是因为有许多烟雾，灰尘等 微小颗粒浮游于大气之中，光照射在这些 颗粒上，产生了散射，就射向了四面八方， 这个现象是由瑞利首先发现的，所以人们 把这种散射称为瑞利散射。 瑞利散射是怎样产生的呢？原来组成物质的 分子、原子、电子是以某些固有的频率在 振动，并能释放出波长与该振动频率相应 的光。
二 散射损耗
是指光通过密度或折射率不均匀的物质时，除了 在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到 光，这种现象叫做散射。
原因：光纤的材料，形状，散射率分布等的 缺陷或不均匀。 散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的 瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如 气泡)引起的散射产生的。 结构缺陷散射产 生的损耗与波长无关。
• 3.色散平坦光纤（DFF）
有效利用带宽，最好使光纤在整个光纤通信的长波段 （ 1.3um-1.6um）都保持低损耗和低色散。
4. 色散补偿光纤（DCF）
利用一段光纤来消除光纤中由于色散的存在使得光脉 冲信号发生展宽和畸变。能够起这种均衡作用的光纤 称为色散补偿光纤。
作业
1．什么是损耗?光纤中存在哪些损耗?这些损 耗是由什么因素引起的？ 2.什么是色散?光纤中存在哪些色散? 3. 光纤中的信号变化是由哪些因素引起的？这 些因素各导致信号如何变化？
2.非零色散光纤（NZDF）
• 当在一根光纤上同时传输多波长光信号再采用光 放大器时，DSF光纤就会在零色散波长区出现严 重的非线形效应，这样就限制了WDM技术的应用。 • 为了提高多波长WDM系统的传输质量，就考虑 零色散点移动，移到一个低色散区，保证WDM系 统的应用。 • NZDF是指光纤的工作波长移到1.54～1.565μm 范围，不是在1.55um的零色散点内，在此区域内 的色散值较小，约为1.0～4.0PS/km· wm。此范围 内色散和损耗都比较小，而且可采用波分复用技 术。
光纤的损耗和色散
全光放大 EDFA 拉曼放大器
掺铒光纤放大器
主要内容
光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化
3.2 色散引起的信号失真
不同的频率、模式、偏振分量 色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生 码间干扰，给信号的最后判决造成困难
分类： 1. 模内色散 - 材料色散 - 波导色散 2. 模间色散 3. 偏振模色散
标准单模光纤损耗曲线
掺GeO2的低损耗、低OH¯ 含量石英光纤 AllWave：逼近本征损耗 单模：本征损耗+OH¯ 吸收损耗
OH－
AllWave fiber
0.154 dB/km
常温且未暴露 在强辐射下
商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较
多模光纤
单模光纤
多模光纤的损耗大于单模光纤： - 多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径 (本征散射大) - 由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗
模内色散影响下的光纤带宽：宽谱光源
∆λ比较大的时候，单模光纤带宽：
BSMF = 1/ 4 1/ 4 = ∆T ∆λ ⋅ D(λ ) ⋅ L
1 1/ 4 ∆T = Tbit = 4 BSMF
带宽和距离乘积：
BSMF ⋅ L =
1/ 4 ∆λ ⋅ D(λ )
(Gb/s ⋅ km )
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 带宽和距离乘积： 带宽和距离乘积 BL < 1 (Gb/s)·km
3.5 单模光纤的色散优化设计
G.653 色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550 nm
1550 nm
光纤通信实验报告
光纤通信实验报告光纤通信是一种使用光信号传输数据的通信技术，它利用了光的高速传输和大带宽的特性，成为了现代通信领域的重要技术之一。
在本次实验中，我们对光纤通信的原理和实验验证进行了深入研究。
实验一: 光的传播特性我们首先对光的传播特性进行了研究。
选择了一根直径较细的光纤，并采用了迎射法和反射法进行传导实验。
通过在纤芯中投射光线，并观察传导的情况，我们验证了光在光纤中的传播路径并没有明显偏向，光线能够相对直线传播。
实验二: 光纤的损耗与色散在光纤通信中，损耗和色散是不可避免的问题。
我们通过实验对光纤中损耗和色散的影响进行了测试。
损耗实验中，我们通过分析在不同长度光纤中传输的光强度，发现随着距离的增加，光强度会逐渐减弱。
这是由于光纤中存在材料吸收和散射等因素造成的。
为了减小损耗，优化光纤的材料和结构是很重要的。
色散实验中，我们将不同波长的光信号通过光纤传输，并测量到达另一端的时间。
实验结果显示，不同波长的光信号到达时间存在差异。
这是由于光纤中折射率随波长变化而引起的色散效应。
为了减小色散，需要采用更先进的技术，如光纤衍生波导和光纤增益等手段。
实验三: 单模光纤与多模光纤光纤通信中，单模光纤和多模光纤是常用的两种类型。
通过实验，我们对这两种光纤的传输特性进行了研究。
我们首先测试了单模光纤。
结果显示，在单模光纤中，光信号会以单一光波传播，因此具有较低的色散和损耗，适用于远距离传输和高速通信。
然后我们进行了多模光纤的实验。
实验结果显示，多模光纤中存在多个模式的光信号传播，由于不同模式间的传播速度不同，会导致严重的色散和损耗问题。
因此，多模光纤适用于近距离传输和低速通信。
结论通过本次光纤通信实验，我们对光纤通信的原理和实际应用有了更深入的了解。
我们发现光纤通信具有高速率、低损耗和大带宽等优势，而不同类型的光纤对于不同的通信需求有着不同的适应性。
然而，我们也看到了光纤通信中存在的一些问题，如损耗、色散和设备成本等。
光纤损耗谱
光纤损耗谱
光纤损耗谱是指在不同波长范围内，光纤对光信号的衰减程度。
光纤的损耗谱通常以分贝（dB）为单位来表示。
在可见光范围内，光纤的损耗主要包括以下几种：
1. 材料吸收损耗：光纤材料会吸收光信号的能量，导致损耗。
这种损耗在可见光范围内是较小的，一般每米小于0.3 dB。
2. 散射损耗：光信号在光纤中发生散射，导致能量传输的损失。
散射损耗在可见光范围内也是较小的，一般每米小于1 dB。
3. 弯曲损耗：当光纤被弯曲时，光信号会发生不同程度的衰减。
弯曲损耗主要取决于光纤的弯曲半径和弯曲角度，一般在可见光范围内每米小于0.5 dB。
4. 过载损耗：当光信号的功率超过光纤的承载能力时，会导致过载损耗。
光纤的过载损耗取决于光纤的材料和结构，一般每米小于1 dB。
除了以上这些损耗以外，光纤在不同波长范围内还存在一些特定的损耗现象，如光纤中干涉现象导致的色散损耗、光纤接头的衰减等。
总之，光纤损耗谱是一个描述光纤对不同波长光信号衰减程度的参数，它对于光纤通信系统的设计和性能评估至关重要。
《光纤损耗和色散》课件
色散评估指标：色散系数、色散斜 率、色散带宽等
色散评估应用：光纤通信系统设计、 光纤选型、光纤性能评估等
光纤损耗和色散的关系
损耗和色散的相互影响
光纤损耗：光在光纤中传输时，由于各种原因导致的能量损失
色散：光在光纤中传输时，由于不同波长的光速不同，导致光脉冲在传输过程中发生展宽和变 形的现象
损耗与色散的关系：损耗和色散是相互影响的，损耗越大，色散越严重
光纤损耗和色散
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Hale Waihona Puke 单击输入目录标题 光纤损耗 光纤色散 光纤损耗和色散的关系 光纤损耗和色散的应用
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光纤损耗
定义和分类
分类：根据损耗原因，可以 分为吸收损耗、散射损耗和 弯曲损耗
光纤损耗：光纤在传输过程 中由于各种原因导致的光能 损失
吸收损耗：光纤材料对光的 吸收导致的损耗
添加 标题
材料色散：由于光纤材料对不同波长的光的 折射率不同，导致光脉冲在传播过程中发生 展宽和变形的现象。
添加 标题
波导色散：由于光纤中不同模式的光速不同， 导致光脉冲在传播过程中发生展宽和变形的 现象。
影响色散的因素
光纤材料：不同材料对色散的影响不同 光纤长度：光纤越长，色散越严重 光纤直径：直径越大，色散越小 光纤温度：温度越高，色散越严重 光纤弯曲：弯曲程度越大，色散越严重 光纤折射率：折射率越高，色散越小
降低色散的方法
采用低色散光纤，如G.652光纤 采用色散补偿技术，如色散补偿光纤 采用色散补偿设备，如色散补偿器 采用色散补偿算法，如色散补偿软件
色散的测量和评估
色散测量方法：光谱分析法、干涉 法、光时域反射法等
色散测量设备：光谱分析仪、干涉 仪、光时域反射仪等
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。
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新技术：抗宏弯的柔性光纤
康宁公司帮组Verison解决了问题：可弯曲、折返、打结， 已在2500万户家庭中安装
日本NTT也完成了这种光纤的研制
Photonic Crystal Fiber
Photonic Bandgap Fiber
柔性光纤的优点
对光的约束增强 在任意波段均可实现单模传输：调节空气孔径之间的距离 可以实现光纤色散的灵活设计 减少光纤中的非线性效应 抗侧压性能增强
第三章 光纤的损耗和色散
主要内容
光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化
3.1 光纤的损耗
损耗
即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。这些损耗主要包括：
1. 吸收损耗 2. 散射损耗 3. 弯曲损耗
吸收损耗
本征吸收：
材料本身 (如SiO2) 的特性决定，即便波导结 构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在
弯曲损耗
宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲
场分布
??
Cladding Core
?
? > ?c
消逝场
?? < ? ??
弯曲曲率半径减小 宏弯损耗指数增加
R
弯曲损耗与模场直径的关系
P
包层 1
< P
包层 2
Loss模场直径小 < Loss模场直径大
Loss低阶模 < Loss高阶模 模式剥离器：将光纤缠绕成环
本征吸收
原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的不完整造成
非本征吸收： 由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
本征吸收
(1) 紫外吸收 光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引 起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围
(2) 红外吸收
晶格
光波与光纤晶格相互作
用，一部分光波能量传
f
色散的定义
色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生 码间干扰，给信号的最后判决造成困难
分类： 1. 模内色散
- 材料色散 - 波导色散 2. 模间色散 3. 偏振模色散
模内色散：材料色散
光纤材料对不同的频率成 份折射率(传播速率)不同
?1
?1
?2
?2
?3
?3
模内色散：波导色散
信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度
原子缺陷吸收
光纤制造 -> 材料受到热激励 -> 结构不完善 强粒子辐射 -> 材料共价键断裂 -> 原子缺陷 光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动
吸收光能，引起损耗 人死亡
800
1 rad(Si) = 0.01 J/kg
散射损耗
光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象
1. 瑞利散射 2. 波导散射
决定：
DT
?
dT
d?
D?
?
d
d?
?? L
? ?
vg
???D?
?
?
L d2? d? 2
D?
?
L? 2D?
GVD 参数
群速度色散
通常在波长域习惯用D?来表示谱宽。根据? 和? 之间的关系：
单模光纤中传播模80%能量在纤芯 20%能量在包层
模内色散 - 群速度色散 (GVD)
信号分量的群速率是频率/波长的函数：
vg
?
d? d?
? ?? d? ? d?
?1
? ? ?
即不同的频率分量间存在群时延差。信号在传输了距离L后，
频率分量? 经历的延时为：
T ? L ? L d? vg d?
对于一个谱宽为D? 的脉冲，那么脉冲展宽的多少可以由下式
递给晶格，使其振动加
剧，从而引起的损耗
本征吸收曲线
非本征吸收
光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收 OH－和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等
OH－吸收峰 ~ 2 dB
解决方法： (1) 光纤材料化学提纯，比
如达到 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)
损耗的补偿办法：放大
电放大 光? 电? 光
2.5 × 0.6 × 0.6 m3
全光放大
EDFA 拉曼放大器 0.05 × 0.3 × 0.2 m3
掺铒光纤放大器
主要内容
光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化
3.2 色散引起的信号失真
光信号包含不同的频率、模式、偏振分量 光源输出有一定谱宽： 100 KHz~10 MHz 信号具有不同的频谱分量
微弯：微米级的高频弯曲
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
与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗
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
长波长处附加损耗显著
? ? V?
2? a ?
n12
?
n22
1/ 2
?
2? a ?
NA
? ? 2W0 ? 2a 0.65 ? 1.619V ?3/2 ? 2.879V ?6
? 增加，V减少，W0越大
宏弯带来的应用局限：Verizon 的烦恼
Verizon钟爱光纤：花费230亿美元配置了12.9万公里长的光 纤，直接连到180万用户家中，提供高速因特网和电视服务
光纤损耗的度量
光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减：
Pout ? Pine ?? L
可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：
?
?
10 L
log
? ? ?
Pin Pout
? ? ?
?dB/km ?
其中L为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在1550 nm的损耗系 数为0.2 dB/km。
标准单模光纤损耗曲线
掺GeO2的低损耗、低OHˉ 含量石英光纤 AllWave：逼近本征损耗 单模：本征损耗+OHˉ 吸收损耗
OH －
AllWave fiber
0.154 dB/km
常温且未暴露 在强辐射下
商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较
多光纤
单模光纤
多模光纤的损耗大于单模光纤： - 多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径 (本征散射大) - 由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗
瑞利散射
波导在小于光波长尺度上的不均匀： - 分子密度分布不均匀 - 掺杂分子导致折射率不均匀 导致波导对入射光产生本征散射 瑞利散射一般发生在短波长
本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
波导散射
导致的原因是波导缺陷 - 纤芯和包层的界面不完备 - 圆度不均匀 - 残留气泡和裂痕等
目前的制造工艺基本可以克服波导散射