第2章 光纤传输特性 损耗 色散
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光纤的特性课件
31
光纤的制造－预制棒法
相似折射率分布的直径 2cm左右，长1m预制棒，再拉成 长度10km，0.125mm细直径的光纤。特点是可制造折射 率分布复杂的光纤。
32
光纤的制造－预制棒法
33
k0n
2n 0
2f 2c
0
g
d d
d d0
d0 d
2n 02
2 0
dn
•
0
2
d0 2c
1 c
n
0
dn
d 0
ps/nm
10
材料色散参量
m
L g
L Vg
m (0 ) m (0 ) L g 0 g 0
0
c
d2 n
d 02
0 L
偏振态改变 发生偏振色散 保偏光纤：维持光波偏振态的偏振保持光纤
26
偏振模色散Δτ取决于光纤的双折射，由 Δβ=βx-βy≈nxk-nyk得到
1 c
d
dk
1 c (nx
ny )
27
保偏光纤(PMF)
双折射参量的定义
BF
X Y
k0
0
X Y 2
传输相位差
L ( X Y ) L
28
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。 8
群速与群延时
群速 的表示：
Vg
d d
群延时：群速Vg行进单位长度所花费的时间，即
g
1 Vg
d d
9
光纤内的群延时
M L
光纤的制造－预制棒法
相似折射率分布的直径 2cm左右，长1m预制棒，再拉成 长度10km，0.125mm细直径的光纤。特点是可制造折射 率分布复杂的光纤。
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光纤的制造－预制棒法
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k0n
2n 0
2f 2c
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ps/nm
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材料色散参量
m
L g
L Vg
m (0 ) m (0 ) L g 0 g 0
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d2 n
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0 L
偏振态改变 发生偏振色散 保偏光纤：维持光波偏振态的偏振保持光纤
26
偏振模色散Δτ取决于光纤的双折射，由 Δβ=βx-βy≈nxk-nyk得到
1 c
d
dk
1 c (nx
ny )
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保偏光纤(PMF)
双折射参量的定义
BF
X Y
k0
0
X Y 2
传输相位差
L ( X Y ) L
28
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。 8
群速与群延时
群速 的表示：
Vg
d d
群延时：群速Vg行进单位长度所花费的时间，即
g
1 Vg
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光纤内的群延时
M L
光纤的传输特性
光纤的传输特性光纤的传输特性包括损耗、色散、衰减、偏振和非线性效应等，其中，损耗和色散是光纤最重要的传输特性。
损耗限制系统的传输距离，色散限制系统的传输容量。
（1）光纤的损耗特性。
在光发射机和接收机之间由光缆吸收、反射、散射和辐射的信号功率被认为是损耗。
光纤损耗是光纤传输系统中限制中继距离的主要因素之一。
下表列出了3种石英光纤的典型损耗值。
（2）光纤的色散特性。
色散是光纤的一个重要参数，它会引起传输信号的畸变，使通信质量变差，限制通信容量与距离，特别是对高速和长距离光纤通信系统的影响更为突出。
光纤色散的产生涉及多方面的原因，这里只介绍模式色散、材料色散和波导色散。
①模式色散。
模式色散是指光在多模光纤中传输时会存在许多种传播模式，因为每种传播模式在传输过程中都具有不同的轴向传输速度，所以虽然在输入端同时发送光脉冲信号，但光脉冲信号到达接收端的时间却不同，于是产生了时延，使光脉冲发生展宽与畸变。
②材料色散。
材料色散是由构成纤芯的材料对不同波长的光波所呈现的不同折射率造成的，波长短则折射率大，波长长则折射率小。
就目前的技术水平而言，光源尚不能达到严格单频发射的程度，因此无论谱线宽度多么狭窄的光源器件，它所发出的光也会包含多根谱线（多种频率成分），只不过光波长的数量以及各光波长的功率所占的比例不同而已。
每根谱线都会受到光纤色散的作用，而接收端不可能对每根谱线受光纤色散作用所造成的畸变进行理想均衡，故会产生脉冲展宽现象。
③波导色散。
波导色散是指由光纤的波导结构对不同波长的光产生的色散作用。
波导结构是指光纤的纤芯与包层直径的大小、光纤的横截面折射率分布规律等。
这种色散通常很小，可以忽略不计。
光纤的损耗和色散
具体机理：在黑夜里向空中照射，可以看到 一束光束，人们也曾看到过夜空中的探照 灯发出粗大的光柱。为什么我们会看到这 些光柱呢？这是因为有许多烟雾，灰尘等 微小颗粒浮游于大气之中，光照射在这些 颗粒上，产生了散射，就射向了四面八方， 这个现象是由瑞利首先发现的，所以人们 把这种散射称为瑞利散射。 瑞利散射是怎样产生的呢？原来组成物质的 分子、原子、电子是以某些固有的频率在 振动，并能释放出波长与该振动频率相应 的光。
二 散射损耗
是指光通过密度或折射率不均匀的物质时，除了 在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到 光，这种现象叫做散射。
原因：光纤的材料，形状，散射率分布等的 缺陷或不均匀。 散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的 瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如 气泡)引起的散射产生的。 结构缺陷散射产 生的损耗与波长无关。
• 3.色散平坦光纤（DFF）
有效利用带宽，最好使光纤在整个光纤通信的长波段 （ 1.3um-1.6um）都保持低损耗和低色散。
4. 色散补偿光纤（DCF）
利用一段光纤来消除光纤中由于色散的存在使得光脉 冲信号发生展宽和畸变。能够起这种均衡作用的光纤 称为色散补偿光纤。
作业
1．什么是损耗?光纤中存在哪些损耗?这些损 耗是由什么因素引起的？ 2.什么是色散?光纤中存在哪些色散? 3. 光纤中的信号变化是由哪些因素引起的？这 些因素各导致信号如何变化？
2.非零色散光纤（NZDF）
• 当在一根光纤上同时传输多波长光信号再采用光 放大器时，DSF光纤就会在零色散波长区出现严 重的非线形效应，这样就限制了WDM技术的应用。 • 为了提高多波长WDM系统的传输质量，就考虑 零色散点移动，移到一个低色散区，保证WDM系 统的应用。 • NZDF是指光纤的工作波长移到1.54～1.565μm 范围，不是在1.55um的零色散点内，在此区域内 的色散值较小，约为1.0～4.0PS/km· wm。此范围 内色散和损耗都比较小，而且可采用波分复用技 术。
光纤损耗特性及色散特性
本征吸收：是光纤基础材料（SiO2）固有吸收，与波长有关， 对于SiO2石英系光纤，主要有两个吸收带，紫外吸收带和红 光吸收带。 杂质吸收：是由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗， 例如金属过渡离子和水的氢氧根离子吸收电磁能而造成的损 耗。
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。
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。
《光纤损耗和色散》课件
色散评估指标：色散系数、色散斜 率、色散带宽等
色散评估应用：光纤通信系统设计、 光纤选型、光纤性能评估等
光纤损耗和色散的关系
损耗和色散的相互影响
光纤损耗：光在光纤中传输时，由于各种原因导致的能量损失
色散：光在光纤中传输时，由于不同波长的光速不同，导致光脉冲在传输过程中发生展宽和变 形的现象
损耗与色散的关系：损耗和色散是相互影响的，损耗越大，色散越严重
光纤损耗和色散
汇报人：PPT
Hale Waihona Puke 单击输入目录标题 光纤损耗 光纤色散 光纤损耗和色散的关系 光纤损耗和色散的应用
添加章节标题
光纤损耗
定义和分类
分类：根据损耗原因，可以 分为吸收损耗、散射损耗和 弯曲损耗
光纤损耗：光纤在传输过程 中由于各种原因导致的光能 损失
吸收损耗：光纤材料对光的 吸收导致的损耗
添加 标题
材料色散：由于光纤材料对不同波长的光的 折射率不同，导致光脉冲在传播过程中发生 展宽和变形的现象。
添加 标题
波导色散：由于光纤中不同模式的光速不同， 导致光脉冲在传播过程中发生展宽和变形的 现象。
影响色散的因素
光纤材料：不同材料对色散的影响不同 光纤长度：光纤越长，色散越严重 光纤直径：直径越大，色散越小 光纤温度：温度越高，色散越严重 光纤弯曲：弯曲程度越大，色散越严重 光纤折射率：折射率越高，色散越小
降低色散的方法
采用低色散光纤，如G.652光纤 采用色散补偿技术，如色散补偿光纤 采用色散补偿设备，如色散补偿器 采用色散补偿算法，如色散补偿软件
色散的测量和评估
色散测量方法：光谱分析法、干涉 法、光时域反射法等
色散测量设备：光谱分析仪、干涉 仪、光时域反射仪等
光纤的基本特性衰耗、色散
光纤的基本特性衰耗、色散1、光纤的损耗光纤的衰减或损耗是一个非常重要的、对光信号的传播产生制约作用的特性。
光纤的损耗限制了没有光放大的光信号的传播距离。
光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。
1）吸收损耗光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的，包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收。
a:红外和紫外吸收损耗光纤材料组成的原子系统中，一些处于｛氐能的电子会吸收光波能量而跃迁到高能级状态，这种吸收的中心波长在紫外的0.16μm处，吸收峰很强，其尾巴延伸到光纤通信波段，在短波长区，吸收峰值达ldB/km,在长波长区则小得多，约O.O5dB∕km.在红外波段光纤基质材料石英玻璃的Si-O键因振动吸收能量，这种吸收带损耗在9.1μm,12.5μm及21μm处峰值可达IOdB∕km以上,因此构成了石英光纤工作波长的上限。
红外吸收带的带尾也向光纤通信波段延伸。
但影响小于紫外吸收带。
在λ=L55μm时，由红外吸收引起的损耗小于0.01dB∕kmβb:氢氧根离子（OH-）吸收损耗在石英光纤中，O-H键的基本谐振波长为2.73μm,与Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤的传输频带内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24及0.95μm波长上，在峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个传输窗口。
目前,由于工艺的改进,降低了氢氧根离子（OH-）浓度，这些吸收峰的影响已很小。
c:金属离子吸收损耗光纤材料中的金属杂质，如：金属离子铁（Fe3+）、铜（Cu2+）、镒（Mn3+）、镇（Ni3+）、钻（Co3+）、铭（Cr3+）等,它们的电子结构产生边带吸收峰（0.5~Llμm）,造成损耗。
现在由于工艺的改进，使这些杂质的含量低于10-9以下，因此它们的影响已很小。
在光纤材料中的杂质如氢氧根离子（OH・）、过渡金属离子（铜、铁、铭等）对光的吸收能力极强，它们是产生光纤损耗的主要因素。
因此要想获得低损耗光纤，必须对制造光纤用的原材料二氧化硅等进行十分严格的化学提纯，使其纯度达99.9999%以上。
光纤通信概论第二章2
线性与非线性
满足f(ax+by)=af(x)+bf(y)称为线性系统： 是各分量互不相干的独立贡献 一分耕耘，一分收获！ 否则称为非线性系统！ 非线性是相互作用，而正是这种相互作用，使得 整体不再是简单地等于部分之和，而可能出现不 同于"线性叠加"的增益或亏损。 在光学中，线性与非线性分别表示非功率依赖和功 率依赖。 如果一个光纤系统的参数依赖于光强，就称为非 线性的
材料色散与波导色散
色散(ps/nm.km)
20
材料色散 G652光纤色散 零色散点
单模光纤的色散 D=DM+DW
G653光纤色散 0 波导色散 12701310 1550 在光纤通信波长范围内，波导色散系数为负，在一定的波长范 围内，材料色散和波导色散符号相反 材料色散一般大于波导色散，但在零色散波长附近二者大小可 以相比拟，普通单模光纤在1.31μm处这两个值基本相互抵消
模式色散
High-order Mode (Longer path) Axial Mode (shortest path) core
模式色散：
cladding
Low-order Mode (shorter path)
以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输 入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时 间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽
2
FWMratio
PFWM P
P
f 2 A eff
D
色散的分类
模式色散：不同模式不同传输速度，多模光纤特有 色度色散(Chromatic Dispersion)： 通常简称的 色散概念！ 材料色散：不同波长（频率）信号的折射率不同， 传输速度不同 波导色散：光纤的波导结构(不同区域折射率不同) 引起的色散效应 偏振模色散：不同偏振态不同传输速度
满足f(ax+by)=af(x)+bf(y)称为线性系统： 是各分量互不相干的独立贡献 一分耕耘，一分收获！ 否则称为非线性系统！ 非线性是相互作用，而正是这种相互作用，使得 整体不再是简单地等于部分之和，而可能出现不 同于"线性叠加"的增益或亏损。 在光学中，线性与非线性分别表示非功率依赖和功 率依赖。 如果一个光纤系统的参数依赖于光强，就称为非 线性的
材料色散与波导色散
色散(ps/nm.km)
20
材料色散 G652光纤色散 零色散点
单模光纤的色散 D=DM+DW
G653光纤色散 0 波导色散 12701310 1550 在光纤通信波长范围内，波导色散系数为负，在一定的波长范 围内，材料色散和波导色散符号相反 材料色散一般大于波导色散，但在零色散波长附近二者大小可 以相比拟，普通单模光纤在1.31μm处这两个值基本相互抵消
模式色散
High-order Mode (Longer path) Axial Mode (shortest path) core
模式色散：
cladding
Low-order Mode (shorter path)
以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输 入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时 间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽
2
FWMratio
PFWM P
P
f 2 A eff
D
色散的分类
模式色散：不同模式不同传输速度，多模光纤特有 色度色散(Chromatic Dispersion)： 通常简称的 色散概念！ 材料色散：不同波长（频率）信号的折射率不同， 传输速度不同 波导色散：光纤的波导结构(不同区域折射率不同) 引起的色散效应 偏振模色散：不同偏振态不同传输速度
光纤损耗特性及色散特性
本征吸收：是光纤基础材料（SiO2）固有吸收，与波长有关， 对于SiO2石英系光纤，主要有两个吸收带，紫外吸收带和红 光吸收带。 杂质吸收：是由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗， 例如金属过渡离子和水的氢氧根离子吸收电磁能而造成的损 耗。
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。
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。
色散特性
光纤色散就是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到达光纤端有 先有后，从而产生波形畸变的一种现象。 由于光纤中色散的存在，会使得输入脉冲在传 输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率， 限制通信容量和传输距离。
色散的表示方法
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。
光纤损耗和色散
先进调制技术
采用更先进的调制技术可以提高光信号的抗干扰能力和传输效率， 进一步降低光纤损耗和色散对通信系统的影响。
智能光网络技术
结合人工智能、大数据等技术，发展智能光网络技术，实现光网络的 自动化管理和优化，提高网络运行效率和资源利用率。
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光纤损耗和色散
contents
目录
• 光纤损耗概述 • 光纤色散概述 • 光纤损耗与色散关系 • 光纤损耗和色散测量方法 • 降低光纤损耗和色散技术 • 光纤损耗和色散应用前景
01 光纤损耗概述
损耗定义及分类
损耗定义
光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射等原因导致的光功 率损失。
损耗分类
根据损耗产生的机理，可分为吸收损耗、散射损耗和辐射损 耗等。
色散影响
色散会导致光信号在传输过程中发生畸变，严重影响通信 质量。在长距离无中继光传输系统中，需要对色散进行有 效的补偿和管理。
系统稳定性要求
长距离无中继光传输系统对设备的稳定性和可靠性要求极 高，需要采取一系列措施来保障系统的长期稳定运行。
未来发展趋势及展望
新型光纤材料研发
随着材料科学的不断进步，研发具有更低损耗、更高带宽的新型光 纤材料将成为未来发展的重要方向。
色散会降低光纤通信系统的带宽，使得系 统无法支持高速率、大容量的数据传输。
03 光纤损耗与色散关系
损耗对色散影响
损耗导致光信号幅度降低
光纤传输过程中，光信号会受到损耗，导致信号幅度逐渐降低。这会影响色散 性能，因为色散是与光信号幅度相关的现象。
不同波长损耗差异
光纤对不同波长的光信号具有不同的损耗特性。这种波长依赖性损耗会导致色 散现象的发生，因为不同波长的光信号在光纤中传播速度不同。
采用更先进的调制技术可以提高光信号的抗干扰能力和传输效率， 进一步降低光纤损耗和色散对通信系统的影响。
智能光网络技术
结合人工智能、大数据等技术，发展智能光网络技术，实现光网络的 自动化管理和优化，提高网络运行效率和资源利用率。
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光纤损耗和色散
contents
目录
• 光纤损耗概述 • 光纤色散概述 • 光纤损耗与色散关系 • 光纤损耗和色散测量方法 • 降低光纤损耗和色散技术 • 光纤损耗和色散应用前景
01 光纤损耗概述
损耗定义及分类
损耗定义
光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射等原因导致的光功 率损失。
损耗分类
根据损耗产生的机理，可分为吸收损耗、散射损耗和辐射损 耗等。
色散影响
色散会导致光信号在传输过程中发生畸变，严重影响通信 质量。在长距离无中继光传输系统中，需要对色散进行有 效的补偿和管理。
系统稳定性要求
长距离无中继光传输系统对设备的稳定性和可靠性要求极 高，需要采取一系列措施来保障系统的长期稳定运行。
未来发展趋势及展望
新型光纤材料研发
随着材料科学的不断进步，研发具有更低损耗、更高带宽的新型光 纤材料将成为未来发展的重要方向。
色散会降低光纤通信系统的带宽，使得系 统无法支持高速率、大容量的数据传输。
03 光纤损耗与色散关系
损耗对色散影响
损耗导致光信号幅度降低
光纤传输过程中，光信号会受到损耗，导致信号幅度逐渐降低。这会影响色散 性能，因为色散是与光信号幅度相关的现象。
不同波长损耗差异
光纤对不同波长的光信号具有不同的损耗特性。这种波长依赖性损耗会导致色 散现象的发生，因为不同波长的光信号在光纤中传播速度不同。
光纤的损耗及色散
光纤的损耗及色散一、光纤的损耗光纤的损耗是光纤的重要特性，它是光在光纤中传输一定距离后其能量损失的程度，用单位长度的光纤对光信号损失的分贝数表示，单位为dB/k。
光纤的损耗与光的波长有关，在石英类光纤的损耗与传输光的光波长的变化曲线中，有三个极小值，常把这三个波长称为石英光纤传输的三个窗口。
这三个波长中，0.85μm处损耗最大，1.31um处损耗次之，1.55μm处损耗最小。
光纤损耗产生的原因，一是光纤材料本身的吸收、散射的内因，二是与制造工艺有关的外因，例如材料不纯、水汽、气泡的原因，以及结构不齐的原因。
有一种无水峰光纤。
性能比较好。
光纤的温度系统很小，光纤损耗随温度的变化可以不予考虑，但在较低温度下，损耗有明显增加。
二、光纤的色散光纤的色散是指输入信号中包含的不同频率或不同模式的光在光纤中传播的速度不同：不能同时到达输出端，使输出波形展宽变形、形成失真的现象。
色散是时域上的反映，带宽是频域上的反映。
由于色散的存在，光信号在传输一定距离后，就会使展宽波形到不可辨认的程度，严重影响模拟信号的传输。
在数字信号传输时，由于色散会使脉冲变形。
色散的存在限制了光信号一次传输的距离，在传输距离相同的情况下，色散越大，单位时间内传输的信息容量越小，还会引起二次失真。
色散常用色散常数D来描写。
是指单位波长间隔的光传输单位距离的群时延差（群时延是波束的群速度的倒数，也就是波束传输单位距离所需的时间）。
色散常数表达式，如下：色散的种类有模式色散、材料色散、结构色散：1）模式色散一不同模式的光传输时间不同。
2）材料色散一折射率、波长不同，引起传输速度不同。
3）结构色散一光进入包层而造成的。
根据色散的不同，有不同的光纤，例如色散位移光纤、色散平坦光纤、折射率渐变型光纤。
第二章 光纤与光缆
38
波动方程的求解
运用分离变量法求解波动方程经过一系列数学处 理，可得
d 2Ez dr2
1 r
dEz dr
(n2k2 0
2
m2 r2
)Ez
0
d 2Hz dr 2
1 r
dH z dr
(n2k 2 0
2
m2 r2 )Hz
0
上式是贝塞尔方程，式中m是贝塞尔函数的阶数，称为方 位角模数，它表示纤芯沿方位角 绕一圈场变化的周期数。
23
光缆结构示意图
层绞式
中心束管式
带状式
24
2.2 光纤传输原理
2.2.1 射线光学分析方法 2.2.2 波动光学分析方法
25
★光的传输理论
光纤的三个基本性能指标
（1）定义临界角θc的正弦为数值孔径 (Numerical
Aperture, NA)
物理意义：数值孔径反映了光纤的集光能力，值越 大，集光能力越强。
2.1.3 光纤制造工艺
改进的化学汽相沉积法(MCVD) 轴向汽相沉积法(VAD) 棒外化学汽相沉积法(OVD) 等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD)
19
光纤接续方法
□ 永久接续法 □ 连接器接续法
20
2.1.4 光缆及其结构
光缆是以光纤为主要通信元件，通过加强件 和外护层组合成的整体。光缆是依靠其中的光纤 来完成传送信息的任务，因此光缆的结构设计必 须要保证其中的光纤具有稳定的传输特性。
单模光纤 多模光纤
14
单模光纤---色散最小
r n2 n1
2a =8.3m 2 b =125m
n(r) 2a
第二章光纤的色散特性
49
二、光纤色散的种类及简单计算
3、波导色散
在长波长窗口光纤损耗较小，尤其是1.55μm 波长其损耗接近于理论极限，因此，人们研制的零 色散位移光纤，就是将零色散移位至1.55μm处， 从而使工作波长位于1.55μm附近的单模光纤，可 以获得最低损耗和最小色散，以实现长距离大容量 的光纤通信。
26
二、光纤色散的种类及简单计算 1、模式色散
例题1 ：有一多模阶跃型光纤，△=1%， 纤芯折射率n1=1.47,问因模式色散引起的 每公里最大时延差为多少？
27
二、光纤色散的种类及简单计算 1、模式色散
(2) 多模渐变型光纤的模式色散
多模渐变型光纤的模式色散要比多模阶跃型光纤 的模式色散小得多，尤其是折射率分布为抛物线形 (g=2)的多模渐变型光纤，其模式色散几乎近似为零。 这是因为，这种多模渐变型光纤中的子午射线轨迹近 似为正弦波，且具有自聚焦的特点。
色散的另一个重要参数是：单位长度的时 延差，用△τ表示，单位是ns/km和ps/km等。
13
一、光纤色散概述
4、光纤色散的类型
光纤的色散可归结为下列几类：
材料色散：材料的折射率n是波长λ的非 线性函数，从而使光的传播速度随波长而变。 由此引起的色散叫材料色散。
波导色散：同一模式的相位常数β随波 长λ而变，从而引起色散，这叫波导色散， 又被称为结构色散。
28
多模渐变型光纤中的子午线
29
二、光纤色散的种类及简单计算
1、模式色散
多模渐变型光纤的模式色散表达式推 导过程比较复杂，现直接给出其表达式：
t
M
Ln ( 0 ) 2 2c
Ln ( 0 ) （ ） g+2 c
g-2
二、光纤色散的种类及简单计算
3、波导色散
在长波长窗口光纤损耗较小，尤其是1.55μm 波长其损耗接近于理论极限，因此，人们研制的零 色散位移光纤，就是将零色散移位至1.55μm处， 从而使工作波长位于1.55μm附近的单模光纤，可 以获得最低损耗和最小色散，以实现长距离大容量 的光纤通信。
26
二、光纤色散的种类及简单计算 1、模式色散
例题1 ：有一多模阶跃型光纤，△=1%， 纤芯折射率n1=1.47,问因模式色散引起的 每公里最大时延差为多少？
27
二、光纤色散的种类及简单计算 1、模式色散
(2) 多模渐变型光纤的模式色散
多模渐变型光纤的模式色散要比多模阶跃型光纤 的模式色散小得多，尤其是折射率分布为抛物线形 (g=2)的多模渐变型光纤，其模式色散几乎近似为零。 这是因为，这种多模渐变型光纤中的子午射线轨迹近 似为正弦波，且具有自聚焦的特点。
色散的另一个重要参数是：单位长度的时 延差，用△τ表示，单位是ns/km和ps/km等。
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一、光纤色散概述
4、光纤色散的类型
光纤的色散可归结为下列几类：
材料色散：材料的折射率n是波长λ的非 线性函数，从而使光的传播速度随波长而变。 由此引起的色散叫材料色散。
波导色散：同一模式的相位常数β随波 长λ而变，从而引起色散，这叫波导色散， 又被称为结构色散。
28
多模渐变型光纤中的子午线
29
二、光纤色散的种类及简单计算
1、模式色散
多模渐变型光纤的模式色散表达式推 导过程比较复杂，现直接给出其表达式：
t
M
Ln ( 0 ) 2 2c
Ln ( 0 ) （ ） g+2 c
g-2
第二章光纤的色散特性
2
一、光纤色散概述 1、光纤色散的概念
色散是一个古老的物理概念。在物理学 中，它是指不同颜色的光经过透明介质后 被分散开的现象。如一束白光经三棱镜后 分为七色光带。
3
传统的色散现象
4
一、光纤色散概述 1、光纤色散的概念
在光纤传播理论中，我们将色散定义为： 在光纤中，信号是由很多不同的成分 ( 如 不同模式、不同频率 ) 载荷的，当信号到 达终端时，不同成分之间出现时延差，从 而引起信号畸变的现象。
率差△有关，而弱导波光纤 n1趋近于 n2，△ 值很小，因此使用弱导波光纤可以减小模式 色散，这也正是弱导波光纤迅速发展的原因 之一。
24
二、光纤色散的种类及简单计算
1、模式色散
同时，我们定义△ 为t 每公里的模式色散， M
即因模式色散引起的单位长度的最大时延
差为：Leabharlann ?t M?n1 C
????
n1 n2
19
二、光纤色散的种类及简单计算 1、模式色散 (1) 多模阶跃型光纤的模式色散
n2 n1
θ2 θ1 θ0
阶跃型多模光纤中各模式的光路图
20
二、光纤色散的种类及简单计算
1、模式色散
最大时延差是描述最快和最慢两种模式 的时延之差。
n2
n1
①
θC
②
L
21
二、光纤色散的种类及简单计算
1、模式色散
根据几何光学，光线①和②沿轴线方向的 传播速度不同。因此光纤的模式色散为：
对于单模光纤，由于存在偏振现象，单模光 纤中的两个偏振状态的相位常数不相等，从而 导致这两个模式传输不同步，传输速度不相等， 从而形成色散，这种色散称为偏振模式色散。 但是它与多模光纤中的模式色散不同，它是由 于单模光纤结构上的缺陷或纤芯折射率分布不 均匀等因素造成的。
一、光纤色散概述 1、光纤色散的概念
色散是一个古老的物理概念。在物理学 中，它是指不同颜色的光经过透明介质后 被分散开的现象。如一束白光经三棱镜后 分为七色光带。
3
传统的色散现象
4
一、光纤色散概述 1、光纤色散的概念
在光纤传播理论中，我们将色散定义为： 在光纤中，信号是由很多不同的成分 ( 如 不同模式、不同频率 ) 载荷的，当信号到 达终端时，不同成分之间出现时延差，从 而引起信号畸变的现象。
率差△有关，而弱导波光纤 n1趋近于 n2，△ 值很小，因此使用弱导波光纤可以减小模式 色散，这也正是弱导波光纤迅速发展的原因 之一。
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二、光纤色散的种类及简单计算
1、模式色散
同时，我们定义△ 为t 每公里的模式色散， M
即因模式色散引起的单位长度的最大时延
差为：Leabharlann ?t M?n1 C
????
n1 n2
19
二、光纤色散的种类及简单计算 1、模式色散 (1) 多模阶跃型光纤的模式色散
n2 n1
θ2 θ1 θ0
阶跃型多模光纤中各模式的光路图
20
二、光纤色散的种类及简单计算
1、模式色散
最大时延差是描述最快和最慢两种模式 的时延之差。
n2
n1
①
θC
②
L
21
二、光纤色散的种类及简单计算
1、模式色散
根据几何光学，光线①和②沿轴线方向的 传播速度不同。因此光纤的模式色散为：
对于单模光纤，由于存在偏振现象，单模光 纤中的两个偏振状态的相位常数不相等，从而 导致这两个模式传输不同步，传输速度不相等， 从而形成色散，这种色散称为偏振模式色散。 但是它与多模光纤中的模式色散不同，它是由 于单模光纤结构上的缺陷或纤芯折射率分布不 均匀等因素造成的。
光纤传输特性-色散的计算PPT资料优秀版
时通延信： 技指术信专号业传教输学一资定源长库度时所需要的时间，用τ表示。
Ln L( NA) 发通光信二 技极术管专（业L教ED学）资的源光库谱宽度为40nm
1
渐阶 在通变跃此信折 折光 技射射 纤术率率 中专多多 是业模模 否教光光 存学纤纤 在资中中 模源的的式库最最 色大大 散群群 ，时时 如延延 果差差 存为为 在：： 那么由模式m色ax散引起的脉冲展宽是多少？
通信技术专业教学资源库 深圳职业技术学院
《光纤通信技术》课程
光纤色散计算
主讲： 吴粤湘
课程团队：马晓明 赵晓吉 吴粤湘 林琪
目录
01 光纤色散的表示方法 02 光纤色散的计算
光1.光的基纤本色参散量的：表光示速方法
• 时延：指信号传输一定长度时所需要的时间，用τ表示。 • 时延差：指不同速度的信号传输同样的距离，需要不同的时间，
max
Ln12 8c
2.光纤色散的计算
例题：对于一个NA＝，的阶跃折射率光纤，纤芯直径为，长度是1km，如果 工作在1550nm波长时。在此光纤中是否存在模式色散，如果存在那么由模式 色散引起的脉冲展宽是多少？
解： V 2a NA 34.8 2.40483
因此存在模式色散：
tSI LNA2 /(2cn1) 0.2752 /(2 3108 1.487) 84.76ns
• 发光二极管（LED）的光谱宽度为40nm • 半导体激光二极管（LD）的光谱宽度为1nm
• 从计算结果也可以看出，哪种光源更适合于光纤通信？
Байду номын сангаас
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谢谢
主讲： 吴粤湘
课程团队：马晓明 赵晓吉 吴粤湘 林琪
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2.6.2 光波导中信号失真
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）
L
Pout
(单位： dB/km)
? 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。
? 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
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 。
一般渐变型多模光纤的每公里长度上的最大时延差为
?m
?
1 n(0) 2C
?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， D wg =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
? 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
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。
? 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。
4 光纤的损耗波谱曲线
耗损
口窗长波短
dB/km
瑞利散射
紫外吸收 波导缺陷吸收
一般测试曲线
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 约为 2.5dB/km ? 1.31um 约为 0.5dB/km ? 1.55um 约为 0.2dB/km
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-
E-
? 偏振模色散
E+
E+
6 色散效应对高速通信系统的影响
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。
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：
? ? 10 lg Pin
? 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)。
散射损耗
? 散输射方损向耗，是从指而在使光一纤部中分传光输不的能一到部达分收光端由所于产散生射的而损改耗变。传主 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。
? 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 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
? 瑞均利匀散性射所引损起耗的是由本于征光损纤耗材。料瑞折利射散率射分损布耗小与尺波寸长的的随四即次不方 成反比，即波长越短，损耗越大。因此对 短波长窗口影响 较大。
? 非喇线曼性散散射射 和损 布耗 里渊是散当射光，强使度输大入到光一信定号程的度能时量，部产分生转非移线到性 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。
? 波与导波效长应无散 关射 。损 光耗 纤波是导由结于构光缺纤陷波主导要结由构熔缺炼陷和引拉起丝的工损艺耗不， 完善造成。
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。