模式色散在多模光纤中

1. 吸收损耗 吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能转化 为热能，从而造成光功率的损失。 造成吸收损耗的原因 很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂 质吸收。 1） 本征吸收 本征吸收是光纤基本材料（例如纯二氧化硅）固有的 吸收，并不是由杂质或者缺陷引起的。 因此，本征吸收 基本上确定了任何特定材料的吸收下限。
3、表示方法：色散的大小用时延差Δ 表示
不同速度的信号传输同样的距离所需的时间不同，即各
信号的时延不同，这种时延上的差别称为时延差，用Δ
表示。
n1L
c
时延差的单位：s
色散的程度可用时延差来表示，时延差越大，色散就越严 重。
3、色散的种类及产生原因
(1)模式色散：在多模光纤中，不同模式在同一频率下传 输，各种模沿不同的路径走向终端，其路径长短不同， 在终端会合时就会发生脉冲展宽。(只存在于多模光纤 中)。在阶跃多模光纤中，模式色散是造成脉冲展宽的主 要原因，要比波导色散和材料色散高出1～2个数量级。
通常光纤损耗用单位长度的分贝(dB/km)数表示，定义为
10 1g[ Pout ] (dB/km)
L
Pin
例1 一段30 km的光纤链路，其损耗为0.5 dB/km。 如果在接收端保持0.3 μW 的接收光功率，则发送端的功 率至少为多少？
解 根据公式
10 1g[ Pout ] (dB/km)
3. 附加损耗
附加损耗属于来自外部的损耗， 称为应用损耗或辐 射损耗。 如在成缆、 施工安装和使用运行中使光纤扭曲、 侧压等造成光纤宏弯曲和微弯曲所形成的损耗等。 微弯 曲是在光纤成缆时随机性弯曲产生的，所引起附加损耗一 般很小，光纤宏弯曲损耗是最主要的。 在光缆接续和施 工过程中，不可避免地出现弯曲，弯曲到一定曲率半径时， 会产生辐射损耗。
（1）宏弯曲：如果光纤弯曲半径比光纤直径大得多， 称为宏弯曲损耗αT， 如图2-5-2所示。
图2-5-2 光纤宏弯曲损耗
宏弯曲损耗可近似表示为
αT=C1 exp(－C2R) 式中，R为光纤弯曲的曲率半径，C1与C2为与曲率半径R无 关的常数。
宏弯曲比较轻微பைடு நூலகம்附加损耗很小，但随着弯曲曲率半
径的减小，损耗按指数增大。 到达某个临界值Rc时，若进 一步减小弯曲半径，损耗会突然变得非常大，甚至导致传
输中断。 Rc估算公式为
Rc

3n12
4π(n12 n22 )3/ 2
（2） 光纤微弯曲是由于护套不均匀或成缆时产生不均 匀侧向压力引起的，造成光纤轴线的曲率半径重复变化。 这时弯曲的曲率半径不一定小于临界半径，但这种周期性 变化引起光纤中导模与辐射模间反复耦合，使一部分光能 量变成辐射模损耗掉，如图2-5-3所示。
2. 散射损耗 由于光纤的材料、 形状及折射率分布等的缺陷或不均匀， 光纤中传导的光散射，从而使一部分光不能到达收端所产生 的损耗称为散射损耗。 散射损耗包括线性散射损耗和非线性散射损耗。 线性和 非线性主要是指散射损耗所引起的损耗功率与传播模式的功 率是否成线性关系。 线性散射损耗主要包括瑞利散射损耗和波导散射损耗， 非线性散射损耗主要包括受激拉曼散射和受激布里渊散射等。
图2-5-3 光纤微弯曲损耗
三、 光纤产品介绍
国际电信联盟－电信标准部ITU-T(Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union)公布的几种光纤标准如下： 1.G.651光纤（渐变多模光纤） G.651光纤的工作波长有两种：1310nm和1550nm。在 1310nm处具有最小色散值，在1550nm处具有最小衰减系 数。按照纤芯/包层尺寸，G.651进一步分为4种，它们的纤 芯/包层直径/数值孔径分别为50/125/0.200， 62.5/125/0.275，85/125/0.275和100/140/0.316.
三、光纤的损耗特性
光纤的损耗：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，这就是光纤的传输损耗。由于损耗的存 在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字信 号，其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系 统的传输距离。
光纤损耗定义:长度为L(km)的光纤输出端光功率Pout与输 入端光功率Pin的比值，用分贝(dB)表示。
2） 杂质吸收 杂质吸收是由材料的不纯净和工艺的不完善而造成的 附加吸收损耗。 影响最严重的是过渡金属离子的吸收和水 的氢氧根离子的吸收。 过渡金属正离子吸收包括Cu2+，Fe2+，Cr2+，Ni2+， Mn2+，V2+，Po2+等，其电子结构产生边带吸收峰(0.5～1.1 μm)，造成损耗。 由于工艺改进，这些杂质含量低于10－9 以下，影响已忽略不计。 OH－1根负离子的吸收峰在0.95 μm、 1.23 μm和1.37 μm，由于工艺改进，降低了OH－1浓 度，吸收峰影响已忽略不计。
第二章 光纤技术
第二节 光纤的设计理论 第三节 光纤产品介绍
第二节 光纤的设计理论
一、色散
1、色散：色散是指一束不同颜色的光通过透光物质后被 散开的现象。 一束白光通过一块玻璃三棱镜变成五颜六 色的光带，这就是简单的色散现象。
2、光纤的色散：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的 光到达光纤终端有先有后，形成时间的展宽，从而产生波形 畸变的一种现象。
(2)材料色散：由于纤芯、包层材料的折射率是波长的函 数、材料折射率随光波长非线性变化造成的，不同的频 率传输速度不同，对于谱宽较宽的信号，经过传输后产 生脉冲展宽的现象。
(3)波导色散：由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小， 因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包 层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回 到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与 光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的 不同而异。把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入 光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以 到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。它与材 料色散有同样的数量级
L
Pin
由题意得：
0.5(dB/km) 10 1g[0.3 μW ]
30
Pmin
解得Pmin=9.49 μW。
光纤通信可以说是伴随着光纤制造水平不断提高的， 即随着光纤损耗的不断降低而发展起来的。 造成光纤损耗 的原因很多，主要有吸收损耗、 散射损耗和附加损耗，其 损耗产生机理也非常复杂，简要说明如表2-2所示。