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1.55
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：
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
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（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。