光纤光纤光学及技术 第三章损耗
光纤光学第三章
10
光通信速率的不断提升
速率(Mb/s) 2 8 34 155 622 1.25 Gb/s 2.5 Gb/s 10 Gb/s 40 Gb/s 160 Gb/s 容纳电话(路） 30 120 480 1920 7680 15436 30720 122880 491520 1966080
远离截止条件为：
43
刘德明：光纤光学 华中科技大学·光电子工程
EHιm模式(ι>0, q= 1): 导模截止
本征值方程: 上式可以简化为: Jl+1 /(UJl)=Kl+1/WKl
W
m个
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刘德明：光纤光学 华中科技大学·光电子工程
EHιm模式(ι>0, q= 1): 导模远离截止
45
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K1=n1k0 K2=n2k0
35
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模式分类的 q 参数
36
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§3.4.2模式本征值
n n
n
模式的本征值β可由U或W求得 在一般情况下由本征值方程求本征值很复杂, 只能利用计算机进行数值计算。 两种情形可很容易地确定本征值:
11
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波分复用技术的发展
1310nm/1550nm窗口的波分复用
仍用于接入网，但很少用于长距离传输
1550nm窗口的密集波分复用(DWDM)
可广泛用于长距离传输，用于建设全光网络
12
刘德明：光纤光学 华中科技大学·光电子工程
可利用的波长资源
n n n n n n
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
浅谈光纤通信传输损耗
浅谈光纤通信传输损耗
光纤通信是指利用光纤作为传输介质的通信方式，其优点包括传输速度快、信号清晰、噪声小等特点。
然而，光纤通信中也存在着一定的传输损耗问题，其中包括衰减损耗、散射损耗和弯曲损耗等多种因素。
衰减损耗是指在光信号在光纤中传输过程中，由于光的能量不断减弱而产生的信号损失。
光纤的衰减损耗主要与光纤的制作工艺、光纤的质量和光纤的使用环境相关。
通常来说，光纤的制造工艺越先进，光纤的损耗越小。
而一些特殊材料和结构也能够减小光信号的损耗。
散射损耗是指光纤中晶格振动、电磁振动、杂质和纤维非均匀性等因素引起的光波向各个方向散射所导致的信号损失。
其中，Rayleigh散射是最主要的一种散射现象，它是由于光波与不均
匀分布的微小结构相互作用而产生的散射现象。
此外，光纤中的其他散射现象还包括极化散射、布拉格散射和Raman散射等。
弯曲损耗是指由于光纤在弯曲过程中，光波的空间模式被扭曲或导致波导损耗增加而导致的信号衰减。
光纤的弯曲形状、半径和在弯曲区域中的环境变化等因素都会对弯曲损耗产生影响。
为了降低弯曲损耗，通常需要采用一系列的措施，例如选择适当的光纤半径、调整纤芯尺寸等。
在光纤通信中，上述三种损耗通常相互作用，综合产生了一定的信号损失。
因此，在光纤通信系统设计和工程实践中，需要
针对具体情况采取相应的措施降低损耗，例如采用光信号衰减补偿技术、减小光纤长度等。
总之，光纤通信的各种传输损耗是影响光纤通信质量的关键因素之一，解决这些问题对于提高光纤通信系统的性能和可靠性至关重要。
光纤通信中的传输损耗分析
光纤通信中的传输损耗分析随着信息技术的迅猛发展，光纤通信成为了现代通信领域中广泛应用的技术手段。
光纤作为一种全新的通信传输介质，具有很高的传输带宽和低的传输损耗，因此被广泛应用于电话通信、互联网及有线电视等领域。
然而，无论是境内还是跨国通信，都会面临一定的传输损耗问题。
传输损耗是指信号在传输过程中因为各种因素而衰减的情况。
在光纤通信中，传输损耗主要包括两部分：光纤本身的损耗和连接器等设备带来的损耗。
首先，光纤本身的损耗是光信号在光纤内部传输过程中产生的衰减现象。
这种损耗是由于材料的特性以及制造工艺的限制所导致的。
光纤通信中使用的一般是多模光纤和单模光纤，其中多模光纤由于纤芯直径较大，光信号在光纤内部传输时容易发生多径传播和色散现象，导致信号衰减；而单模光纤则可以有效避免此类问题，传输损耗较小。
此外，纤芯和包层材料的光学特性以及杂质等因素也会对传输损耗产生影响。
其次，连接器等设备也会引入一定的传输损耗。
光纤通信中，为了方便光缆的连接和拆卸，通常会使用连接器进行纤芯的连接。
然而，连接器的使用会引入一定的插损和反射损耗。
插损是指由于连接器两侧纤芯之间的连接不完美而导致光信号的衰减；反射损耗则是由于反射信号的存在而引起的信号衰减。
为了降低连接器的传输损耗，人们通常采用精密的连接器制造工艺以及外界环境的优化措施。
除了光纤本身和设备的因素，光纤通信中的传输损耗还受到一些外界因素的影响。
例如，光纤通信中存在的弯曲、拉伸、温度变化以及外界光干扰等，都可能导致光信号的衰减。
因此，在光纤通信系统的设计和安装过程中，需要对这些因素进行全面分析和评估，以保证信号的传输质量和可靠性。
针对传输损耗问题，工程师们也提出了一系列的解决方案。
首先，选择合适的光纤类型是关键。
如前所述，单模光纤由于其较小的纤芯直径和材料的特性，具有较低的传输损耗，因此在长距离和高速传输中更为适用。
其次，优化连接器的设计和制造工艺，减小插损和反射损耗，可以有效降低传输损耗。
光纤光学-第三章概要
波导场方程
第3页
《光纤光学》第Βιβλιοθήκη 章阶跃折射率分布光纤Ｏ
θz 纤壁入射角 n1 n2
n0 sin c n1Sin c
2 n12 n2
ψ
θz 线轴角 Ｏ’
端面入射角
n0
• 通常将 称之为孔径角，它表示光纤集光能力的大小。工 c 程上还用数值孔径来表示这种性质，记作 N.A. 定义为
《光纤光学》第三章 传输容量限制
阶跃折射率分布光纤
返回框图
n1 1 Ln12 T 1 L c sin c cn2 •色散导致的传输光脉冲展宽
1 n2 c T BL 2 B n1
1/B
色散对光纤所能 传输的最大比特 率B的影响可利 用相邻脉冲间不 产生重叠的原则 来确定，即
最大 时延差
子午光线
数值 孔径
入射媒质折射率 与最大入射角的 正弦值之积，只 与折射率有关， 与几何尺寸无关
相对折 射率差
(n n ) / 2n
2 1 2 2 2 1
2 NA ni sin im n12 n2 n1 2
第5页
《光纤光学》第三章 模间色散
阶跃折射率分布光纤
波导方程 边界条件
t2 k 2 2 e 0 t2 k 2 2 h 0
第13页
场的通解 边界条件
特征方程
传输常数
模场分布 场的解
《光纤光学》第三章
阶跃折射率分布光纤 §3.2 阶跃光纤场解
E i H H i E
1 T B
L
T
例如：
第8页
n1 1.5
2 103
光纤的损耗和色散ppt课件
19
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
ppt课件.
20
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：
可以通过损耗系数来Po衡ut量Pin光e纤L 链路的损耗特性：
ppt课件.
27
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：
即不同的频率分量v间g 存dd在群时dd延 差1。信号在传输了距离L后，
频率分量经历的延时为：
T L L d
22
光纤的损耗
主要内容
色散及其引起的信号失真
单模光纤的色散优化
ppt课件.
23
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
f
ppt课件.
24
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
基本损耗
宏弯损耗
微弯 损耗
长波长处附加损耗显著
V2 an1 2n2 21/22 aNA
2 W 0 2 a 0 . 6 1 . 6 5 V 3 1 / 2 2 . 8 9 V 6 7
增加，V减少，W0越大
ppt课件.
17
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
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 本征吸收
光纤光学第三章PPT课件
子 cos
第14页/共95页
斜光线绕光纤轴线成螺旋形传播。 斜光线是三维空间光线，而子午光线只在二维平面内传播。
第15页/共95页
3.2.4 变折射率光纤的光线理论 见光纤光学（刘德明，向清，黄德修）P9面
程函方程/光线方程：
d ds
n(r)
dr ds
n(r)
若媒介是各向同性而又均匀，有
n dr const ds
当m不等0时当m1时得到混合模eh1n和he1n模的截止条件为jua0其第一个根对应u0也就是说它所对应的模在任何条件下都不会截止这个模为最低阶模称为基模he11在单模波导中导波模只有基模其余展开分量全部转变成耦合损失所以为减小耦合损失应尽量使入射光束的形状与波导基模的形状相同
参考文献： [1] 廖延彪.光纤光学，清华大学出版社，2000，3 [2] 刘德明，向清，黄德修.光纤光学，国防工业出版社，1999 [3] 马军山.光纤通信技术，人民邮电出版社，2004
第24页/共95页
分析思路
第25页/共95页
1、光纤介质的特性
响应的局部性 各向同性 线性 均匀 无损
第26页/共95页
2、光纤中麦克斯韦方程组
玻璃光纤中传导电流J =0，电导率σ=0 ；无自由电荷ρ =0，所以光纤中麦克斯韦方程 组微分形式为：
E B t H D t •D 0 •B 0
s in 2
0
r0 r
2
1 2
自聚焦透镜的折射率服从平方率分布规律：
n2 (r) n2(0)(1 Ar2)
z
z0
n(r0 ) cosz (r0 )
n(0) A
sin1
n(0) Ar
n2 (0) n2 (r0 ) cos2 z (r0 )
光纤光学
偏振色散(Polarization Mode Dispersion)
劣化的程度随数据速率的平方增大
决定了电中继器之间的距离
Chapter 2
6
色散对光传输系统的影响
如果信号是数字脉冲， 色散产生脉冲展宽(Pulse broadening)。 所以，色 散通常用3 dB光带宽f3dB或 脉冲展宽Δτ表示。
用脉冲展宽表示时， 光纤色散可以写成
Δτ=(Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w)1/2 Δτn ——模式色散； Δτm ——材料色散； Δτw ——波导色散
所引起的脉冲展宽的均方根值。
Chapter 2
7
模间色散
对于阶跃光纤：
High-order Mode (Longer path)
core cladding
实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀，必定造成折 射率分布各向异性，使两个偏振模具有不同的传输常数(βx≠βy)。
Chapter 2
8
c
i
n0
n1 n2
经历最短和最长路径的两束光线间的时差:
T
n1 c
s
L
in
c
L
L c
n12 n2
Байду номын сангаас
-传输容量限制:
B--信号比特率
T
1 B
BL
n2 n12
c
Chapter 2
9
色度色散
This is caused by the fact that the refractive index of the glass we are using varies (slightly) with the wavelength. Some wavelengths therefore have higher group velocities and so travel faster than others. Since every pulse consists of a range of wavelengths it will spread out to some degree during its travel.
光纤的损耗与补偿机制
光纤的损耗与补偿机制标题：光纤的损耗与补偿机制正文：光纤通信作为一种高效、稳定的传输方式，在现代通信中发挥着重要作用。
然而，光纤在传输过程中存在着一定的传输损耗，需要采取一定的补偿机制来保证信号的完整性和传输质量。
光纤的损耗主要分为两类：光纤本身的吸收损耗和光纤连接器的插入损耗。
光纤本身的吸收损耗是由于光的能量在光纤内部的传播过程中受到光纤材料的吸收而产生的。
而光纤连接器的插入损耗是由于光纤连接器的不完美造成的，如连接器的不良接触或插入损耗等。
为了补偿光纤的损耗，人们采取了一系列的技术手段。
首先，利用光纤的高折射率特性，可以采用光纤增益器进行信号的放大，以弥补传输过程中的损耗。
此外，还可以在光纤传输中引入光纤衰减器，通过调节衰减器的参数来实现损耗的补偿。
另外，还可以采用光纤补偿器件，如EDFA（Erbium-doped Fiber Amplifier）和DFA （Distributed Feedback Amplifier）等，来增强信号的强度和质量。
除了以上技术手段外，还可以通过光纤连接器的优化设计来降低插入损耗。
例如，采用高质量的光纤连接器，确保连接器的良好接触，减少插入损耗。
此外，还可以采用光纤连接器的自动对准技术，使连接过程更加精确和稳定。
需要注意的是，光纤补偿机制的选择应根据具体的应用场景来确定。
不同的应用场景对光纤传输的要求不同，需要选用合适的补偿方案。
在实际应用中，还需要考虑成本、效率和可靠性等因素来选择最佳的补偿方案。
总之，光纤的损耗是光纤通信中需要解决的重要问题。
通过采用合适的补偿机制，可以有效地降低损耗，提高传输质量和稳定性。
随着技术的发展和创新，相信将会有更多更有效的补偿机制被引入光纤通信中，进一步推动光纤通信技术的发展。
光纤损耗全参数范文
光纤损耗全参数范文光纤损耗是指光信号在光纤中传输过程中发生的能量损失。
由于光信号是以光的形式传输的，因此在光传输过程中，存在着一系列的损耗机制，包括插入损耗、弯曲损耗、散射损耗、吸收损耗等。
光纤损耗是光纤通信系统中一个重要的参数，它直接影响着光信号的传输距离和系统的性能。
首先是插入损耗。
插入损耗是指在光纤连接点处光信号的功率损失。
光纤连接点包括光纤连接器、光纤接头和光纤跳线等。
当光信号通过连接点的时候，由于连接点的制造工艺以及接触点的光学特性等原因，会引起光信号的功率损失。
一般来说，光纤连接器的插入损耗应小于0.5dB，光纤接头的插入损耗应小于0.1dB。
其次是弯曲损耗。
弯曲损耗是指光纤在弯曲过程中由于弯曲半径太小而引起的光信号功率的损失。
当光纤被弯曲时，光信号会发生弯曲光的传播现象，部分光信号会逸出光纤的核心，从而导致光信号的功率损失。
因此，在光纤布线过程中，需要控制光纤的弯曲半径，以保证信号的传输质量。
一般来说，光纤的弯曲损耗应小于0.1dB。
第三是散射损耗。
散射损耗是指光信号在光纤中由于光的散射现象而引起的功率损失。
光的散射现象主要有Rayleigh散射和非线性散射两种。
Rayleigh散射是由于光纤材料微观结构的不均匀引起的，它会导致光信号在光纤中传播过程中发生功率损失。
非线性散射是由于光信号强度过大而引起的光的相互作用现象，它会导致光信号的功率耗散。
为了减小散射损耗，可以采取一些措施，例如增加光纤的直径、采用低散射光纤材料等。
最后是吸收损耗。
吸收损耗是指光信号在光纤中由于光纤材料对光的吸收而引起的功率损失。
光纤材料中存在着一些杂质或者损耗物质，这些杂质或者损耗物质对特定波长的光有吸收作用，从而引起光信号的功率损失。
为了降低吸收损耗，需要选择适合的光纤材料，并控制光纤材料的杂质含量。
总的来说，光纤损耗是光纤通信系统中一个非常重要的参数。
了解光纤损耗的各种机制和影响因素，对于设计和维护光纤通信系统具有重要的意义。
光纤光学-光纤损耗
宏弯损耗
• 光纤的曲率半径比光纤直径大的多的弯 曲（宏弯）引起的附加损耗，主要原因 有：路由转弯和敷设中的弯曲；光纤光 缆的各种预留造成的弯曲（预留圈、各 种拿弯、自然弯曲）；接头盒中光纤的 盘留、机房及设备内尾纤的盘绕等。
弯曲损耗的利用
• (1)模式过滤器：过滤就是对高级模式的去除， 只要弯曲一下，光纤就可以作为模式过滤器。
光纤和光源的耦合损耗
光源： • 半导体激光器 LD • 半导体发光二级管 LED 耦合方法： • 直接耦合 • 加透镜耦合
半导体激光器
• 发光特点 半导体激光器的发光区是窄条形的发光 区域，它的发光区域很薄，只有大约0.3 μm。半导体激光器的发光强度在其谐振 腔内中的谐振腔外部的空间按一定的规 律分布。半导体激光器发射的光束的强 度分布在空间上是不对称的，它所发射 的光的远场图形是一种细长的椭圆果光纤弯曲的曲率半径太小，将引起光的传 播途径的改变，使光从纤芯渗透到包层，甚至 有可能穿过包层向外渗漏。在正常情况下，光 在光纤里沿轴向传播的常数卢应满足：n2k0< β< n1k0。当光纤弯曲时，光在弯曲部分中进行 传输，要想保持同相位的电场和磁场在一个平 面里，则越靠近外侧，其速度就会越大。当传 到某一位置时，其相速度就会超过光速，这意 味着传导模要变成辐射模，所以，光束功率的 一部分会损耗掉，这也就意味着衰减将会增加。
微弯损耗在检测与自控技术中的应用
(1)光纤微弯及多圈螺旋式传感器 • 光纤微弯可有多种弯曲变形形式，当被测物受
到外界影响时，光纤发生弯曲变形，通过检测 光纤内传输的光功率变化量而定出被测量。为 了提高灵敏度，将微弯曲传感光纤做成多圈螺 旋管状，图2所示是一种小位移微弯传感器结 构，位移较小时，测量板的位移量与光纤传输 的光功率变化基本上成线性关系。 • (2)齿条式传感器 • 3)结合OTDR，利用微弯损耗可以准确找出光纤 接续点，确定光纤序号，判定高损耗点等。
光纤中的损耗
解。 方程中的介电常数 ε(ω) 近似为 ε(ω) = ( n +Δn ) 2 ≈ n α Δn, 其中 Δn≈ n2 | E | 2 + i 作为微扰 。 + 2n 首先在 Δn = 0 2 k0 的情形 (普通单模光纤在线性极化情形 ) 下求得模场分布函 数 F ( x, y ) 和对应的波数 β(ω) ; 然后再考虑 Δn的影响 。 根据
∫ ∫ ∫ ∫
式中 x 为假定沿 x 方向偏振光的单位偏振矢量 , E ( r, t) 为时 将 β代入方程 ( 19 ) 可求得慢变振幅 的傅里叶变换 间的慢变函数 。 类似地 , 极化强度分量 PL ( r, t) 和 PNL ( r, t) 也 9A β-β ( 22 ) = i[β(ω) +Δ 有相似的表达式 。 0 ]A 9z 由于非线性效应 , 非线性极化 PNL ( r, t) 对电场 E ( r, t) 2 2 ( ) β β β (β - β 方 0)。 的响应有一定的延迟 , 光纤介质的极化率 χ3 对电场的响应 这里用到了为小量Δ , 并做了近似β - ≈ 2 2 ( 22 ) 的傅里叶逆变换给出了 A ( z, t) 的传输方程 。 程 然而 ,我 时间一般为几十飞秒 , 因此对于飞秒量级的光脉冲 , 一般需 β(ω) 的准确函数形式 , 因此 , 在频率 ω0 处把 要考虑非线性色散效应 ; 对于皮秒量级的光脉冲 , 我们可以 们很少能知道 ( 3) β (ω) 展开成 Taylo r级数 : 认为非线性响应是瞬时的 。 所以三阶极化率 χ 的时间关系 1 1 可由三个 δ( t - t1 ) 函数的积得到 。 由 ( 9 ) 式得 β(ω) = β ω - ω0 )β (ω - ω0 ) 2β (ω 0 + ( 1 + 2 + 2 6 ( 3) ( 11 ) PNL ( r, t) = ε 0χ …E ( r, t 1 ) E ( r, t 2 ) E ( r, t 3) ω0 ) 3β ( 23 ) 3 + … , 忽略三次谐波 , 则有 其中 : ( 12 ) PNL ( r, t) ≈ ε 0ε NL E ( r, t) j β βj = d j , j = 1, 2 … . 3 ( 3) 2 χ | E ( r, t) | 为介电常数的非线性部分 。 ω ω =ω0 其中 ε d NL = 4 xxx ω ν ω0 , 则展开式中的三次项及高阶项通常都可以 若谱宽 Δ 根据慢变包络近似和 PNL 的微扰假设 , 可以将 ε NL 作为 被忽略 , 这与前面的准单色假定一致 。 在某些特定的 ω0 值 , 常数处理 。 将以上关系式代入 ( 5 ) 式 , 有 若β 将 2 ≈ 0, 即在光纤的零色散波长附近 , 需要考虑三次项 。 2 2 ( 13 ) 方程 ( 23 ) 代入到方程 ( 22 ) , 并取傅里叶逆变换 , 得到慢变振 E +ε(ω) k0 E = 0 ω 幅包络 A ( z, t) 的微分方程 : 其中 k0 = , 且介电常数 c 9A 9A i 92 A Δ ( 1) β ( 24 ) =-β +iβ A , 2 ε(ω) = 1 +χ ( ω ) ε ( ) + 14 xxx NL 9z 9t 2 9t2 β由 ( 21 ) 给定 , 它包括了光纤的损耗和非线性效应 。 其中 Δ 这里 E 是 E 的傅立叶变换 2 ∞ 假设幅度 A是归一化的 , | A | 代表光功率 , 把 ( 23 ) 代入到方 ω -ω0 ) t i( ( 15 ) 程 ( 24 ) 可得 : E ( r,ω - ω0 ) E ( r, t) e dt -∞ 9A β 9A i 92 A α 2 ( ) β ( 25 ) + + A =+γ i | A | A, 1 2 ε ( ω ) 由于 χ1 (ω) 和 ε 都是复数 , 因此介电常数 也是复 NL 9z 9t 2 9t2 2 数 , 习惯上定义 n2ω0 其中 γ = 为 非 线 性 系 数 , A eff = ( | F ( x, y ) 2 2 α α α ( ) cA eff R2 n = n + n2 | E | = + 2 | E | 16 2 2 4 对石英光纤 ,α2 很小 , 常被忽略 。 | dxdy ) / | F ( x, y ) | dxdy为有效纤芯截面 。 显然 , A eff 依 R2 方程 ( 13 ) 可利用变量分离法求解 , 假定解的形式为 : 赖于光纤参数 , 如纤芯半径 、 纤芯 - 包层折射率差等 。 一般 ( 17 ) E ( r,ω - ω0 ) = F ( x, y) A ( z,ω - ω0 ) exp ( β i 0 z) μ 地 , 根据光纤设计的不同 , 在 1. 5 m 波长附近 A eff 变化范围为 2 2 - 20 2 其中 F ( x, y ) 是光场的模分布 , A ( z,ω - ω0 ) 是 z的慢变函数 , 20 μ μ m ～ 100 m 。 若取 n2 ≈ 2. 6 × 10 m /W , 非线性系数 γ 1 1 β 这样可以将方程 ( 13 ) 分离为两个关于 F ( x, y ) 和 可在 1W / km ～ 10W / km 范围内变化 。 0 是波数 。
光纤损耗特性及色散特性
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。
光纤的损耗特性及色散特性
June 2011 Alex Wang
损耗特性
光纤损耗：光波在光纤中传输，随着传输距离 的增加而光功率逐渐下降。 损耗原因：光纤本身损耗、光纤与光源的耦合 损耗以及光纤之间的连接损耗。 本身损耗：吸收损耗和散射损耗
吸收损耗
吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分变 成热能，造成光功率的损失，与光纤材料有关， 主要分为本征吸收和杂质吸收。
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。
色散的表示方法源自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。
光纤损耗的类型及标准，如何计算光纤损耗？
光纤损耗的类型及标准，如何计算光纤损耗？前⾔⼤家好，我是薛哥。
在光纤安装中，对光纤链路进⾏准确的测量和计算是验证⽹络完整性和确保⽹络性能⾮常重要的步骤。
光纤内会因光吸收和散射等造成明显的信号损失（即光纤损耗），从⽽影响光传输⽹络的可靠性。
那么如何才能知道光纤链路上的损耗值呢？本⽂将教您如何计算光纤链路中的损耗以及如何判断光纤链路的性能。
终将渡过成长的海01正⽂光纤损耗的类型光纤损耗也被成为光的衰减，是指光纤发射端和接收端之间的光损耗量。
造成光纤损耗的原因有多种，如光纤材料对光能的吸收/散射、弯曲损耗、连接器损耗等。
总⽽⾔之，造成光纤损耗主要有两⼤原因：内部因素（即光纤固有的特性）和外部因素（即光纤操作不当引起的），由此光纤损耗可分为本征光纤损耗和⾮本征光纤损耗。
本征光纤损耗是光纤材料固有的⼀种损耗，主要包含了因结构缺陷引起的吸收损耗、⾊散损耗和散射损耗；⽽⾮本征光纤损耗主要包含了熔接损耗、连接器损耗和弯曲损耗。
光纤损耗的标准电信⼯业联盟（TIA）和电⼦⼯业联盟（EIA）携⼿制定了EIA/TIA标准，该标准规定了光缆、连接器的性能和传输要求，如今在光纤⾏业中被⼴泛接受和使⽤。
EIA/TIA标准明确了最⼤衰减是光纤损耗测量时最重要的参数之⼀。
实际上，最⼤衰减是光缆的衰减系数，以dB/km为单位。
下图显⽰了在EIA/TIA-568规范标准中不同类型光缆的最⼤衰减。
光缆类型波长（nm）最⼤衰减（dB / km）最⼩带宽（Mhz * km）50/125µm多模8503.550013001.550062.5/125µm多模8503.516013001.5500室内单模光缆13101.0——15501.0——室外单模光缆13100.5——15500.5——如何计算光纤损耗？若想检测光纤链路是否能正常运⾏，那么就需要计算光纤损耗、功率预算以及功率裕度，计算⽅式如下。
光纤损耗的计算在光纤布线中，经常需要在⼀条确定长度的线路上计算最⼤损耗。
光纤传输器的损耗
光纤传输器的损耗主要有以下几种类型：
固有损耗：
散射损耗：光纤内存在瑞利散射，由此而产生的光损耗称为瑞利散射损耗。
鉴于目前的光纤制造工艺水平，可以说瑞利散射损耗是无法避免的。
但是，由于瑞利散射损耗的大小与光波长的4次方成反比，所以光纤工作在长波长区时，瑞利散射损耗的影响可以大大减小。
吸收损耗：制造光纤的材料能够吸收光能。
光纤材料中的粒子吸收光能以后，产生振动、发热，而将能量散失掉，这样就产生了吸收损耗。
一般包含紫外吸收损耗、红外吸收损耗、杂质吸收损耗、原子缺陷吸收损耗等。
附加损耗：
微弯损耗：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成损耗。
挤压损耗：光纤受到挤压产生微小弯曲而造成的损耗。
杂质损耗：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。
不均匀损耗：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。
8.5(5) 光纤的传输损耗
主要由二种形式
线性散射损耗：瑞利散射、曼散射 非线性散射损耗：受激喇曼散射、受激布里渊散射
5
8.5.5 光纤的传输损耗
3 微扰损耗
由光纤波导的结构不规则引起，例如：纤芯与 包层的界面不规则、光纤粗细不均匀、光纤的 微弯曲等；
α (λ ) = − 1 10 lg( pout )
L
pin
பைடு நூலகம்
(dB / km)
2
8.5.5 光纤的传输损耗
1 吸收损耗
吸收损耗是由光纤材料吸收光能并转化为其他形式 的能量引起的，吸收损耗过程中存在能量转换。
吸收损耗分为两种：
固有吸收（本征吸收）损耗 非固有吸收（杂质吸收）损耗
3
8.5.5 光纤的传输损耗
损耗以散射形式或模式耦合形式出现。
6
8.5.5 光纤的传输损耗
光纤的衰减(损耗)
吸收损耗 散射损耗 微扰损耗
1
8.5.5 光纤的传输损耗
当光从光纤的一端射入而从另一端射出时，光强将 减弱，即光产生衰减；衰减描述光能在传输过程中 逐渐减小或消失的现象。
光沿光纤传播时，其强度按指数规律衰减。
单位长度的衰减为衰减系数：
1 吸收损耗
固有吸收损耗由光纤基质材料的本征吸收引 起，是物质固有的吸收（物质本征吸收）。 固有吸收包括两个频带：
非固有吸收损耗由光纤材料中残留的铜、铁、 铬等金属离子和OH根离子引起，也称为杂质 吸收。
4
8.5.5 光纤的传输损耗
2 散射损耗
散射损耗是由光纤中存在的微小颗粒和气孔等结构不均 匀性引起的；
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
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对于①，单位长度光纤传输的时延：
1
1 V1
1 c / n1
n1 c
对于② ，单位长度光纤传输的时延：
2
1 V2
当光发送机发送的光功率和光接收机可接 收的最小光功率（接收机灵敏度）确定时， 光纤的总损耗就受到限制。
最大传输距离
L P0 Pr M A
37
【例3.2】 某一光纤通信系统光端机的指标如 下 ：平均光发送功率为1 mW ，接收机灵敏 度为-30dBm。线路光纤损耗系数为 0.4dB/km，接头及连接器总损耗为 3dB，系 统富余量为8dB，估算光发送机和光接收机 之间的最大传输距离。
第二传输窗口
在1.55m 处最小损
耗约为
第三传0输.窗2d口B/km
瑞利散射
红外吸收
0.2
紫外吸收
850
1300
1550
波 长 (nm)
损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射 35
和辐射损耗
光纤损耗的克服
提纯材料 优化制造工艺 减小光纤弯曲和接续损耗
36
光纤损耗对通信质量的影响
损耗越大，误码率越高，传输质量越差
22
受激拉曼散射是强激光的光电场与原子中的电子 激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相耦合产 生的，具有很强的受激特性，即与激光器中的受 激光发射有类似特 性：方向性强，散射强度高。
受激布里渊散射也称声子散射，phonon scattering。 主要是由于入射光功率很高，由光波产生的电磁 伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波 散射而产生的。散射光具有发散角小、线宽窄等 受激发射的特性。也可以把这种受激散射过程看 作光子场与声子场之间的相干散射过程。可以利 用受激布 里渊散射研究材料的声学特性和弹性力 学特性。
从而吸收光能，引起损耗
峰值吸收波长约为630nm，解决方案：提高制 造工艺、不同的掺杂材料及含量
17
散射损耗
散射损耗：光能辐射出光纤之外的一种损耗 线性散射损耗和非线性散射损耗 线性散射损耗： 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。主要包括： 1. 瑞利散射 2. 波导散射
不同模式具有不同的传输速度，在光纤中沿传输方向行进 的过程中，各模式逐渐分离，使得光信号展宽。
2.模式色散的表示 单位光纤长度上，模式的最大时延差
传输速度最快的模式与传输速度最慢的模式通过单位长度 光纤所需的时间之差。
2.模式色散的计算
1、阶跃光纤中的模式色散 利用几何光学
包层n2
②
芯区n1
①
① 传输最快的子午线 ② 传输最慢的子午线
脉冲展宽
T
光脉冲信号中的不同成份在光纤中的 传输速度不同，导致脉冲信号传输后展 宽甚至离散。
光纤色散效应对传输的影响
Input
1010101101
Output
1010101101
Time Time
脉冲展宽 (ps) = D(ps/ nm*km) * δ(nm) * L(km)
脉冲展宽 1/4 比特周期时会引起误码
•光纤色散
Dispersed pulse
IN Dispersive fiber
B
R
色散对光通信系统的影响
信号畸变 光脉冲形状畸变 引起误码
信号成分不同，其传播常数β也不同
不同的模式，β不同
模式色散,极化色散
不同的光纤，β不同
波导色散
不同的波长，β不同
材料色散
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
解：
Pi
10lg
pi 1
0(dBm)
L P0 Pr M A 0 (30) 8 3 47.5 km
0.4
38
消除损耗对光纤通信系统的影响 1、降低光纤的损耗系数，并扩展低损耗 区域 2、光纤线路中加入中继器
39
损耗的补偿办法：放大
电放大 光电光
2.5 × 0.6 × 0.6 m3
第三章 光纤特性
★光纤的主要特性
传输特性
损耗 色散
非线性
折射率分布 光学特性 数值孔径
截止波长 芯径 外径 几何尺寸 偏心度 椭圆度 同心度误差
机械特性
温度特性
2
光纤的传输特性
光纤在光纤通信系统的主要作用是完成光信号 的传输，所以最关心光纤的传输特性。
光纤的传输特性主要有两部分，光纤的损耗特 性和色散特性。
，
试求P该(z)光 1纤0e的0.1(z损0.2耗) mw系数 、 以及5km这样的
光纤的总损耗（ dB）。dB
解：
P(z) 10e0.2e0.1z P(0)e z
所以 =0.1（1/km）
dB 4.34
dB 0.434
5km这样的光纤的总损耗= dBL =0.434×5=2.17（dB） 7
3
光纤中光传输特性
损耗、色散和非线性对光信号传输的影响
输入信号
输出信号
损耗
时间
衰减
色散
时间
脉冲展宽
非线性 频率
新频率
4
光纤的损耗系数
光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大程度 上决定着传输系统的中继距离，损耗的降低依 赖于工艺的提高和对石英材料的研究。
损耗系数定义:
dP(z) P(z)
dz
产生光纤损耗的原因
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
8
光纤损耗
本征吸收 紫外吸收 红外吸收
吸收损耗 杂质吸收 氢氧根（OH－）吸收 过渡金属离子吸收
原子缺陷吸收
瑞利散射损耗 散射损耗 结构不完善引起的散射损耗
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 光纤到户使Verizon遇到困境：宏弯引起信号衰减
31
新技术：抗宏弯的柔性光纤*
康宁公司帮助Verizon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
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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 也是一种本征损耗，固有散射
粒子尺寸比波长小得多，与l-4成正比
本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
19
20
波导散射
导致的原因是波导缺陷：缺陷尺寸大于光波波长 - 纤芯和包层的界面不完备 - 圆度不均匀 - 残留气泡和裂痕等 实际为结构不完善引起的模式转换或模式耦合 目前的制造工艺基本可以克服波导散射
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红外吸收
光波与光纤晶格相互作用，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， 红外区表现强烈，因此称为红外吸收。
晶格
13
本征吸收曲线
14
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
15
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。
光纤弯曲损耗 弯曲损耗 光纤微弯损耗
9
吸收损耗
紫外吸收 红外吸收
本征吸收
吸收损耗
杂质吸收
氢氧根(OHˉ)吸收 过渡金属离子吸收
原子缺陷吸收
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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。
Photonic Crystal Fiber
Photonic Bandgap Fiber
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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 33
光纤的理论损耗：
光纤的最低损耗值
波长 （μm）
单模光纤（△=0.2%）
解决方法： (1) 光纤材料化学提纯，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) OH离子含量降到0.8-1.0ppb时，在0.6-1.7mm范围内，
吸收峰基本消失
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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 导致光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动，
理论极限值 已达到的最低值
（dB/km）
（dB/km）
0.85
1.9
1.9
1.31
0.32
0.35
1.55
0.18
0.20
多模光纤（△=0.2%）
理论极限值 已达到的最低值
（dB/km）
（dB/km）
2.5
2.12
0.44
0.42
0.22
0.23
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光纤损耗谱特性
2.5
第一传输窗口
OH离子吸收峰
损 耗 (dB/km)
p(z)为z处的光功率，代表损耗系数，L是光