光纤的特性参数

发生联系。而光脉冲的根均方脉宽不仅能确切地描述光脉冲的特性，
[url=/]魔兽 sf[/url]而且还与光纤通信系统的中继距离密切相 关，在光纤通信的理论中经常用到它。
在时域范围内，光纤的冲击响应 h(t)是一个高斯波形，如图 1.2.12 所示。
冲击响应 h(t)
L 为光纤长度 (km)。 色散系数越小越好。光纤的色散系数越小，[url=/]魔兽 私服[/url]就意味着它对光脉冲的展宽越小即光纤的传输容量越大。
（3）.模场直径 d 模场直径表征单模光纤集中光能量的程度。 单模光纤的纤芯直径为 5~9 μm，它与光工作波长 1.3~1.8 μm 处于同一个数量级； 但由于光的衍射效应而无法测量出纤芯直径的精确值。此外，由于单模光纤只传输一种 模式即基模 LP01 模，但 LP01 模的场强分布并不局限在纤芯之中，会有一少部分在包层 中传输，所以单模光纤纤芯直径的概念在物理上已没有什么意义，故引入新的特性参数 模场直径 d。 可以极其粗略地认为，模场直径 d 和单模光纤的纤芯直径相近。 如 G.652 光纤的模场直径 d 为 5 ~ 9 μm，这说明在传输过程中有百分之九十五 以上的光能量，集中在直径为 5~9 μm 的光纤内部的圆柱体内传送。
式中： L 为光纤长度（km）；
Pi 为输入光功率值（W）； P0 为输出光功率值（W）。 如某光纤的衰耗系数为 α f = 0.3dB/km，光纤长度 L = 10km，则：
P
i
= 100.3 = 2
P
0
这就意味着，经过 10km 的光纤传输之后，其光功率信号减少了一半。
长度为 L 公里的光纤的衰耗值为：A =α f ּL 。 也就是说，光纤的衰耗与光纤的长度成正比关系。
(MHz)
B
B
L
≈
C
Lr
(1.2.15）
其中： r 叫做光纤的带宽距离指数；且 r =0 .5 ~ 0 .9。 显然，与光纤的衰耗不同，光纤的带宽和其长度呈非线性关系。 当不同带宽系数的光纤互相连接在一起，其总的宽可用下式求得：
(1.2.16）
⎜⎛ L
B
L
≈
⎜ ⎜⎝
1
B 1r C1
+
L
2
B 1r C2
在时域范围内，人们经常使用根均方带宽 σ f 来描述光纤的传输特性。 一方面在实际工作中人们在时域内进行测量比在频域内测量更加方便可行，即
测量光纤的根均方带宽 σ f 比测量带宽系数 BC 更方便；另一方面光纤的根均方带宽 σ f 与数字光纤通信理论有着更密切的关系，因为它能直接和其传输的光脉冲的根均方脉宽
（4）.截止波长 λ C
截止波长的定义是，光纤中的各阶高次模的光功率总和与基模光功率之比下降 到 0.1 时的工作波长。它是系统的最小各种波长。
ITU -T 定义了二种截止波长： ①．2 米长一次涂覆光纤的截止波长 λ C ； ②．22 米成缆光纤的截止波长 λ CC ； 一般来讲，λ C > λ CC ，所以为避免出现模式色散即保证实现单模传输，系统的 工作波长下限应该 λ S > λ CC。 二种指标不必同时满足，只选其一即可，一般首选 22 米成缆光纤的截止波长 λCC。 （5）．零色散波长λ0 当光纤的材料色散和波导色散在某个波长互相抵消，使光纤总的色度色散为零， 该波长即为零色散波长。一般来讲，光纤的零色散波长位于 1310nm 波长区内（1280 nm 处），但正如前所述，人们可以通过巧妙的波导结构设计使光纤的零色散波长移到我们 所希望的波长区内 — 色散移位光纤。
1.0
0.607
t σf
图 1.2.12：光纤的根均方带宽 σ f
光纤的根均方带宽的物理含义是：对应于光纤高斯形冲击响应最大值的 0 .607 倍时，变量时间 t 的数值。
它与光纤模畸变带宽的关系为：
σ = 0.1874 fB
L
(1.2.17)
（3）.数值孔径 NA
我们已经对光纤的数值孔径进行了讨论，并推导出其表达式。数值孔径是多模 光纤的重要参数，它表征光纤顶端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的 能力和对模式色散的影响。ITU-T 建议多模光纤的数值孔径取值范围为 0.18~0.23，其
(1).衰耗系数 α f 其规定与物理含义与单模光纤完全相同，在此不再赘述。
（2）．带宽系数 BC 多模光纤因具有很大的模式色散，所以通常用带宽系数来描述其色散特性。 ①．多模光纤带宽的概念 通过实验发现，如果保证多模光纤的输入光功率信号大小不变，随着调制光功
率信号的调制频率的增加，光纤的输出光功率信号也会逐渐下降。这说明光纤也存在着 象电缆一样的带宽系数，即对调制光功率信号的调制频率具有一定的响应特性。
色散系数可以这样理解：1km 长的光纤传输单位谱宽时所产生的脉冲展宽值。 因此，L 公里光纤由色散引起的相对脉冲展宽值为（相对于码元周期）：
（1.2.14）
ε≈δλ·B·D（λ）·L·10 -6
其中：
δλ为光源的谱宽(nm)；
B 为传输速率（Mb/s）； D（λ）为光纤的色散系数(ps/ km·nm)；
(2).色度色散系数 D（λ）
我们讨论过，光纤的色度色散分为三部分即模式色散、材料色散与波导色散。 对于单模光纤而言，由于实现了单模传输所以不存在模式色散的问题，故其色散主要表 现为材料色散与波导色散，它们统称模内色散。
综合考虑单模光纤的材料色散与波导色散，用一个名为色度色散系数的参数来 描述其色散特性（简称色散系数）。
(1.2.18）
NAt =1.05 NAe
（4）.归一化频率 V 归一化频率是多模光纤最重要的结构参数，它能表征光纤中传播模式的数量。 其表达式为：
(1.2.19)
2π n a
2π a
V=
1 1 2Δ = λ
λ 1 NAt
式中： λ 为光波的波长(μm)； n1 为纤芯区域中最大折射率，对阶跃光纤而言它为常数，对渐变光纤而言它为 轴心处的折射率；
带宽系数的定义为：1km 长的光纤，[url=/]魔兽世界私 服[/url]其输出光功率信号下降到其最大值(直流光输入时的输出光功率值)的一半时，此 时光功率信号的调制频率就叫做光纤的带宽系数；其单位为：MHzּkm。如图 1.2.11 所 示。
需要注意的是，因为光信号是以功率来度量的，所以其带宽又称为 3dB 光带宽； 即光功率信号衰减 3dB 时意味着输出光功率信号减少一半。而一般的电缆之带宽称为 6dB 电带宽，因为输出电信号是以电压或电流来度量的，输出电信号衰减 6dB 时意味 着输出电压或电流减少一半。
⎟⎞ − r + LL⎟
⎟⎠
例如，有两段光纤分别为：L1=2km，BC1=800 MHzּkm；L2=3km，BC2
=500MHzּkm。则其连接后的总带宽为：
B
L
≈
⎜⎛ ⎜
2
⎜ ⎜⎝
800
1 0.5
+
3
1Байду номын сангаас
500 0,5
⎟⎞ −0.5 + LL⎟⎟ =
⎟⎠
257 MHz
③．根均方带宽 σ f 带宽系数 BC 是在频域范围内描述光纤传输特性的重要参数，实际上它演用了模 拟通信的概念。
对应的光纤顶端面接收角θc=10°~13°。
此外，（1.2.8）式的数值孔径表达式是在阶跃光纤的条件下推导出来的，即认 为纤芯区域的折射率是均匀的。但多模光纤大多数为渐变光纤，其纤芯区域中的折射率 是渐变的。所以对应于（1.2.8）式的数值孔径叫做最大理论数值孔径 NA t ，而在实际 中却最常使用强度有效数值孔径 NA e，它们两者的关系为：
小于归一化截止频率 VC（2 .4048），则可以实现单模传输，即 N≈1。
引起光纤带宽变窄的主要原因是光纤存在着色散。 因为对于多模光纤而言，其模式色散占统治地位（材料色散与波导色散的大小可以 忽略不计），所以其带宽又称模式色散带宽，或称模畸变带宽。
光功率 P
1.0
0.5
调制频率 f
BC 图 1.2.11：光纤的带宽系数 BC ②．带宽距离指数 r 实验证明，长度为 L 公里的光纤之模畸变带宽为：
§2.6 光纤的特性参数
1．单模光纤的特性参数
（1）．衰耗系数 α f
衰耗系数是单模光纤最重要的特性参数之一(另一个是色散系数)。因为从衰耗的角 度看，在很大程度上它决定了系统的传输距离。
衰耗系数的定义为：每公里光纤对光功率信号的衰减值。其表达式为：
(dB/km)
αf =
10
㏒
P
i
LP
0
(1.2.13)
a1 为纤芯的半径(μm)； △为光纤的相对折射率差； 实际上 V 是一个无量纲的参数。其值的大小能决定光纤中传播模式的数量。
理论上可以证明，对于阶跃光纤而言其传播模式的数量为：N=0.5 V2 ；对于渐 变光纤而言则为：N=0.25 V2。
此外，由归一化频率 V 值的大小还可以初步确定是否能实现单模传输。若 V 值
（6）．零色散斜率S 0 在零色散波长附近，光纤的色度色散系数随波长而变化的曲线斜率称之为零色
散斜率。其值越小，说明光纤的色散系数随波长的变化越缓慢，因此越容易一次性地对 其区域内的所有光波长进行色散补偿，这一点对于 WDM 系统尤其重要，因为 WDM 系 统是工作在某个波长区而不是某个单波长。
2．多模光纤的特性参数