第2章 光纤传输特性 损耗 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。
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 。
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
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。
? 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。
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）
? 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。
? 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
? 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。
? 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
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
? 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。
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-
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? 百度文库振模色散
E+
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6 色散效应对高速通信系统的影响
? 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。
? 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