第二章 光纤传输特性

散射损耗




散射损耗是指在光纤中传输的一部分光由于散射而改 变传输方向，从而使一部分光不能到达收端所产生的 损耗。主要包含瑞利散射损耗、 非线性散射损耗和波 导效应散射损耗。 瑞利散射损耗是由于光纤材料折射率分布小尺寸的随 机不均匀性所引起的本征损耗。瑞利散射损耗与波长 的四次方成反比，即波长越短，损耗越大。因此对短 波长窗口影响较大。 非线性散射损耗是当光强度大到一定程度时，产生非 线性喇曼散射和布里渊散射，使输入光信号的能量部 分转移到新的频率成分上而形成损耗。因此非线性散 射损耗是随传播频率变化的。在常规光纤中由于半导 体激光器发送光功率较小，该损耗可忽略。但在 DWDM 系统中，由于总功率很大，就必须考虑其影响。 波导效应散射损耗是由于光纤波导结构缺陷引起的损 耗，与波长无关。光纤波导结构缺陷主要由熔炼和拉 丝工艺不完善造成。
1. 光纤的带宽
带宽的表示可用光带宽和电带宽两种表示方法。 因为 10lg P( fc) 10lg 1 / 2 3dB
P(0) 1
表示经光纤传输后，输出光功率下降3dB，此时 称fc为光纤的光带宽。光检测器输出的电流是正比 于被检测的光功率，因此可用电流来 表示： 20lg I ( fc) 20lg 1 / 2 6dB
三种光纤色散情况比较
普通光纤(SMF) 非色散位移光纤（NDSF，G.652） 已有光纤的>95% 18
正常色散区
DWDM 波长范围
反常色散区
色散 0 ps/nmkm 1310nm 波长 1550nm 色散位移光纤（DSF,G.653） 非零色散位移光纤（NZDSF,G.655）
G.652单模光纤（NDSF）
4 光纤的损耗波谱曲线
一般测试曲线
损 耗 dB/km
瑞利散射 短 波 长 窗 口
ห้องสมุดไป่ตู้
紫外吸收 波导缺陷吸收
红外吸收 长波长窗口
光纤通信所使用的三个低损耗窗口:
0.85um
1.31um
1.55um
约为 2.5dB/km 约为 0.5dB/km 约为 0.2dB/km
2.6.2 光波导中信号失真
低损耗 零色散 小有效面积 长距离、单信道超高速EDFA系统 四波混频（FWM）是主要的问题，不利于DWDM技术
结论:
适用于 10Gb/s 以上速率单信道传输，但不适 用于 DWDM应用，处于被市场淘汰的现状。
G.655单模光纤（NZ-DSF）
在1530－1565nm窗口有较低的损耗 工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（ 四波混频）的发生。 可以有正的或负的色散——海底传输系统
1. 受激拉曼散射（SRS）阀值较高,高频率信 道的能量可能通过受激拉曼散射向低频率信 道的信号的转移,多出现在波分复用WDM系 统中. 2. 受激布里渊散射（SBS）增益谱很窄（约 10～100MHz）只要对信号载频设计得好， 可以很容易地避免SBS引起的干扰

2.6.4 光纤中的非线性效应
大多数已安装的光纤
低损耗 大色散分布 大有效面积
色散受限距离短 2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km 10Gb/s系统色度色散受限距离约34km G.652+DCF方案升级扩容成本高
结论: 不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于 2.5Gb/s以下速率的DWDM。
G.653单模光纤（DSF）
m
1 n(0) 2 C
2

9 单模光纤：色度色散和偏振模色散
色度色散
两类：材料色散 波导色散
色度色散参数为波长的函数；
Dmat =材料色散，Dwg =波导色散，D=总色散
偏振模色散：
两个偏振模式因光纤的不完善而出现传输常数的差
异时产生的色散 偏振模色散与色度色散相比相对较小
表2-7 PMD与系统传输速率 以及最大传输距离的关系
正色散SPM效应压缩脉冲，负色散SPM效应展宽脉冲。 为DWDM系统的应用而设计的
结论:
适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，
是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。
连接与耦合损耗：
轴偏
角度偏
弯曲损耗（宏弯损耗和微弯损耗）
单模光纤中的宏弯损耗：a)光纤中的模场分布 b)弯曲光纤中的模场分布
微弯损耗
宏弯损耗



弯曲损耗是光信息传输所受衰减的主要原因之一， 它与光纤敷设的弯曲半径有关，最小弯曲半径常作 为光纤的一项参数给出。 弯曲半径应超出光纤包层直径的150倍；对短期应 用，应超过包层直径的100倍。如果包层直径为 125μm的话，这两个数值分别19mm和13mm。 利用光纤的弯曲损耗特性，可以在光纤链路上引入 一些可控的衰减。在需要对光进行可控衰减时，通 过将光纤绕上几圈就可以实现，所绕圈数和半径均 可控制衰减量。

损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选 择 ，影响光纤通信系统的成本
3、损耗的种类
吸收损耗 散射损耗 其他损耗
吸收损耗
本征吸收损耗是由于光纤材料本身吸收 光能量产生的。主要存在红外波段的分 子振动吸收和紫外波段的电子跃迁吸收。 红外吸收对长波长有影响，紫外吸收对 短波长有影响。 杂质吸收损耗主要是由于光纤中含有的 各种过渡金属离子和氢氧根（OH-）离子 在光的激励下产生振动，吸收光能量造 成。 （OH-）离子的吸收对光通信的长 波长影响比较大（主要在1.38um)。
其他损耗



主要是连接损耗和弯曲损耗和微弯损耗。 连接损耗是由于进行光纤接续是端面不平整或光纤 位置未对准等原因造成接头处出现损耗。其大小与 连接使用的工具和操作者技能有密切关系。 弯曲损耗是由于光纤中部分传导模在弯曲部位成为 辐射模而形成的损耗。它与弯曲半径成指数关系， 弯曲半径越大，弯曲损耗越小。 微弯损耗是由于成缆时产生不均匀的侧压力，导致 纤芯与包层的界面出现局部凹凸引起。
I (0) 1
此时称fc为光纤的电带宽。 显然，我们所说的-3dB光带宽和-6dB电带宽，实 际上是光纤的同一带宽。（频域表示带宽）
光纤带宽与色散的关系

实质用时域来表示带宽 对于输入为冲激函数，输出为高斯脉冲，带宽 与脉冲展宽（色散）的关系如下：
B
441

B的单位为GHz,t单位为ps
2.6.4 光纤中的非线性效应
1 什么是色散，色散的分类 名词：色散 信号在光纤中是由不同的频率成份和不同的 模式成份携带的，这些不同的频率成份和模 式成份有不同的传播速度，使得光纤输出波 形在时间上产生展宽。 色散种类：模内色散（色度色散）和模间色 散，偏振模色散（单模光纤中）。
2 模内色散（色度色散）


模内色散包括材料色散和波导色散 材料色散：纤芯的材料的折射率随波长的变化导致 色散。折射率随波长的变化,使不同波长的群速度不 同，造成时延差,发生脉冲展宽。在1.27um处最小 波导色散：原因是由于光纤中只有80%的光功率在 纤芯中传播，20%在包层中传播，由于包层中传播 速率大于纤芯，就出现色散。波导色散的大小取决 于光纤的设计
2.6 光纤传输特性
主要内容
损耗 色散 光纤的带宽和冲激响应 光纤中的非线性效应 单模光纤性能指标

2.6.1 损耗
1、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。 2、损耗一般用损耗系数α 表示： (单位：dB/km) P 10 in lg L P out
8 渐变型光纤的模式色散
渐变型光纤中光线的传播路径是近似于正弦形曲线，其中正弦 幅度大的光线传播距离长，而正弦幅度小的光线传输路程短，但由 于渐变型光纤纤芯折射率分布在轴心处最大并沿径向逐渐减小，所 以正弦幅度最大的光线由于离轴心远，折射率小而传播速率高，而 正弦幅度最小的光线由于离轴心近，折射率大而传播速率低，结果 在到达输出端时相互之间的时延差近似为零，从而使渐变型多模光 纤的模式色散较小。 一般渐变型多模光纤的每公里长度上的最大时延差为
10 Gb/s
40 Gb/s
7 阶跃型光纤的模式色散
在阶跃型光纤中，当光线端面的入射角小于端面临界 角时，将在纤芯中形成全反射。若每条光线代表一 种模式，则不同入射角的光线代表不同的模式，不 同入射角的光线，在光纤中的传播路径不同，而由 于纤芯折射率均匀分布，纤芯中不同路径的光线的 传播速度相同，因此不同路径的光线到达输出端的 时延不同，从而产生脉冲展宽，形成模式色散。
最大传输距离/km PMD/(ps/km1/2) 3.0 1.0 2.5Gbit/s 180 1600 10Gbit/s 11 100 40bit/s <1 6
0.5
0.1
6400
160000
400
10000
25
625
2.6.3 光纤的带宽和冲激响应
光纤色散的大小除了用输出脉冲的展宽来表 征外，还可以用光纤的带宽来表征。 在被测光纤上输入一个单色光，并对它进行 强度调制，改变调制频率，观察光纤的输出光 功率与调制频率的关系，从而得到光纤的频 率响应。
色度色散
3 偏振模色散
4 模间色散
模间色散产生的原因：即使在同一频率
的光，不同的模式群速率不一样，也产 生色散。它主要取决于光纤的折射率
分布。
模间色散主要存于多模光纤中。
5 光纤各种色散对传输的影响：
• 模间色散
• 材料色散
E-
EE+
• 偏振模色散
E+
6 色散效应对高速通信系统的影响
3. 交叉相位调制（XPM）多出现在相干检测 方式中， 4. 四波混频（FWM）当传输光工作在光纤的 零色散波长附近时，四波混频的相位条件可 能得到满足

2.6.5

单模光纤性能介绍



色散平坦光纤：充分利用1.3um至1.55um整个波段， 可以大幅度提高通信容量 色散位移光纤（DSF）:将零色散点移至1.55um处， 与光纤最低损耗波段一致，从而得到最低损耗和最低 色散。但不利于多信道传输（主要有四波混频的影响， 如有少量色散FWM反而干扰减少） 非零色散位移光纤（NZ－DSF）：是一种改进的色散 位移光纤，在光纤制作中，适当控制掺杂量，大到足 以抑制DWDM中的四波混频，小到足以允许单信道 10Gb/s，而不需色散补偿。 色散补偿光纤（DCF）：利用一段光纤来补偿光纤中 的色散。能够实现这种功能的光纤称为DCF光纤。如 常规的单模光纤在1.55um波长区为正色散值，那么 DCF光纤应该具有负色散值，零色散值在1.7um以上。