第3章 光纤的传输特性
光纤的传输特性
光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性，色散特性和非线性效应。
光纤的损耗特性*************************************************************概念：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加光功率逐渐下降。
衡量光纤损耗特性的参数：光纤的衰减系数（损耗系数），定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，单位为dB／km。
其表达式为：式中求得波长在λ处的衰减系数； Pi 表示输入光纤的功率， Po 表示输出光功率， L 为光纤的长度。
（1）光纤的损耗特性曲线•损耗直接关系到光纤通信系统的传输距离，是光纤最重要的传输特性之一。
自光纤问世以来，人们在降低光纤损耗方面做了大量的工作，1.31μm光纤的损耗值在0．5dB/km以下，而1.55μm的损耗为0.2dB/km以下，接近了光纤损耗的理论极限。
总的损耗随波长变化的曲线，叫做光纤的损耗特性曲线—损耗谱。
•从图中可以看到三个低损耗“窗口”：850nm波段—短波长波段、1310nm波段和1550nm波段—长波长波段。
目前光纤通信系统主要工作在1310nm波段和1550nm波段上。
（2）光纤的损耗因素光纤损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗，还有来自光纤结构的不完善。
这些损耗又可以归纳以下几种：1、光纤的吸收损耗光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，把光能以热能的形式消耗于光纤中，是光纤损耗中重要的损耗。
包括：本征吸收损耗；杂质离子引起的损耗；原子缺陷吸收损耗。
2、光纤的散射损耗光纤内部的散射，会减小传输的功率，产生损耗。
散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。
物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀，这种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。
光在传输时遇到这些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生散射，引起损耗。
另外，光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射，产生损耗。
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。
光纤通信原理-(全套)课件
1.2 光纤通信的主要特性
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载 波的通信系统，其载波—光波具有很高的 频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信 容量。
2. 损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光 纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长 区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他 通信线路的损耗都低得多，因此，由其组 成的光纤通信系统的中继距离也较其它介 质构成的系统长得多。
光纤通信原理
1
第一章 概 述
1.1 光纤通信的发展与现状 1.2 光纤通信的主要特性 1.3 光纤通信系统的组成和分类
1.1 光纤通信的发展与现状
1.1.1 早期的光通信
到了1880年，贝尔发明了第一个光电 话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通 信的开端。
在这里，将弧光灯的恒定光束投射在 话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱 变化的反射光束，这个过程就是调制。
式中：R、T都是复数，包括大小及相
位。其模值分别表示反射波、传递波与入
射波幅度的大小之比；2Ф1、2Ф2是R和T的
相角，分别表示在介质分界面上反射波、 传递波比入射波超前的相位。
3. 平面波的全反射
全反射是一种重要的物理现象，当光 波从光密介质射入光疏介质，且入射角大 于临界角时才能产生全反射，即全反射必
1. 子午射线在阶跃型光纤中的传播
阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常 数n 1的纤芯和折射率为常数n2的包层组 成，并且n1>n2，如图2.6所示。
图2.6 光线在阶跃型光纤中的传播
2. 子午射线在渐变型光纤中的传播
渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于 其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的 增加而递减直到等于包层的折射率。
【精选】光纤通信课后习题解答第3章习题参考答案
第三章 光纤的传输特性1．简述石英系光纤损耗产生的原因，光纤损耗的理论极限值是由什么决定的？答：（1）（2）光纤损耗的理论极限值是由紫外吸收损耗、红外吸收损耗和瑞利散射决定的。
2．当光在一段长为10km 光纤中传输时，输出端的光功率减小至输入端光功率的一半。
求：光纤的损耗系数α。
解：设输入端光功率为P 1，输出端的光功率为P 2。
则P 1＝2P 2光纤的损耗系数()km dB P P km P P L /3.02lg 1010lg 102221==＝α 3．光纤色散产生的原因有哪些？对数字光纤通信系统有何危害？答：（1）按照色散产生的原因，光纤的色散主要分为：模式（模间）色散、材料色散、波导色散和极化色散。
（2）在数字光纤通信系统中，色散会引起光脉冲展宽，严重时前后脉冲将相互重叠，形成码间干扰，增加误码率，影响了光纤的传输带宽。
因此，色散会限制光纤通信系统的传输容量和中继距离。
4．为什么单模光纤的带宽比多模光纤的带宽大得多？答：光纤的带宽特性是在频域中的表现形式，而色散特性是在时域中的表现形式，即色散越大，带宽越窄。
由于光纤中存在着模式色散、材料色散、波导色散和极化色散四种，并且模式色散>>材料色散＞波导色散＞极化色散。
由于极化色散很小，一般忽略不计。
在多模光纤中，主要存在模式色散、材料色散和波导色散；单模光纤中不存在模式色散，而只存在材料色散和波导色散。
因此，多模光纤的色散比单模光纤的色散大得多，也就是单模光纤的带宽比多模光纤宽得多。
光纤损耗吸收损耗本征吸收杂质吸收原子缺陷吸收紫外吸收 红外吸收氢氧根（OH －）吸收 过渡金属离子吸收散射损耗弯曲损耗5．均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为n 1=1.50，n 2=1.45，光纤的长度L=10km 。
试求：（1）子午光线的最大时延差；（2）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求子午光线的最大时延差。
解：（1） 1sin 21111⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=n n C Ln n C L n CL c M θτ () s 1.72145.150.110350.1105μ=⎪⎭⎫⎝⎛-⨯⨯=km km （2）若将光纤的包层和涂敷层去掉，则n 2=1.01sin 21111⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=n n C Ln n C L n CL c M θτ () s 5210.150.110350.1105μ=⎪⎭⎫⎝⎛-⨯⨯=km km 6．一制造长度为2km 的阶跃型多模光纤，纤芯和包层的折射率分别为n 1=1.47，n 2=1.45，使用工作波长为1.31μm ，光源的谱线宽度Δλ＝3nm ，材料色散系数D m ＝6ps/nm·km ，波导色散τw ＝0，光纤的带宽距离指数γ＝0.8。
光纤-光缆及其传输特性
光纤\光缆及其传输特性摘要:在广播电视传输网中,同轴电缆传输系统具有设备简单投资少,接入用户方便,因此它在广播电视传输网的接入网部分和小区域的用户中得到了广泛的应用。
但对于远距离传输而言,同轴电缆传输系统就曝露出致命的弱点。
而光纤的出现恰好弥补了这一缺陷,由于光信号在光缆中的传输衰减极小,很小的光功率便可以在光缆中将其传到很远的地方。
因此光纤在现代社会中被广泛应用。
现就光纤、光缆的概念及其传输特性做一介绍。
关键词:光纤、光缆、传输损耗、传输带宽、光纤性能参数1、光纤光纤是用于传导光的介质光波导。
为了能对光信号进行远距离传输,光纤必须具有两个功能:(1)必须具有较低损耗。
(2)必须满足光波导条件。
为了实现这一功能,光纤通常由纤芯和包层两个二氧化硅层组成,包层的折射率必须小于纤芯的折射率,这样在包层与限制你的临界面便形成一个封闭的全反射面,保证了从纤芯向外射出的光能被完全反射回纤芯。
光纤按其传输光波的模式,可分为多模光纤和单模光纤。
光信号是一种特殊的电磁波,它在光纤中传播与电磁波在电波导中传输一样,同样存在着模式的问题。
多模光纤可以允许光信号以多模式传播,而单模光纤只允许光以基模一种模式传播。
多模光纤中,由于多种模式的光信号传播速度不同,而引起时域脉冲展宽,使其信道带宽受到限制。
由于单模光纤只能传输一种单一模式,所以具有很大的信道带宽。
因此,单模光纤被广泛应用于现代通讯系统中。
2、光缆若将若干根光纤并行使用把它们以一定的形式组合到一起,在其外部加以各种保护套便形成了光缆。
通常使用的架空和直埋式光缆有两种结构形式:中心束管式和层绞式。
中心束管式光缆,使用于光纤芯数较少的场合。
通常12 芯以下光缆使用这种结构形式。
中心束光缆就是将所需数量的光纤并行装入充满纤膏的束管内,形成中心束管。
束管内的光纤可以在纤膏内活动,这样的结构称为松套式结构。
3、光纤的传输特性光纤的传输特性包括传输损耗、光纤的传输带宽以及光纤传输性能参数。
光的全反射和光纤的传输特性
光的全反射和光纤的传输特性光的全反射是光在从一种介质进入另一种折射率较小的介质时，遇到临界角时发生的现象。
在这种情况下，光线完全被反射回原来的介质中，而不发生折射。
这一现象在光纤的传输中起着重要的作用，使得光能够在光纤中长距离传输。
在光的全反射现象中，有两个关键概念：临界角和折射率。
临界角是指光从光密介质向光疏介质射入时，介质之间的界面上光线的入射角度。
当入射角度小于临界角时，光会发生折射；但是当入射角度大于等于临界角时，光则会完全被反射回原来的介质中。
而折射率则是描述光线在不同介质中传播时的速度变化情况，不同介质的折射率不同，折射率较大的介质光速度较慢。
光纤的传输特性主要依靠光的全反射来实现。
光纤是一种由光导纤维制成的细长管道，能够将光信号传输到远距离的地方。
光纤的核心是由高折射率的材料制成，而外部则是由低折射率的材料制成。
当光信号经过光纤的入射面时，光线会以入射角小于临界角的方式射入光纤中。
然后，光线在光纤中发生多次全反射，保持在光纤内部的传输。
由于光的全反射现象，光信号能够在光纤中一直传输下去，而不会发生大量的能量损失。
光纤的传输特性使得它在通信领域中有着广泛的应用。
与传统的铜缆相比，光纤传输具有很多优势。
首先，光纤的传输速度非常快，远高于铜缆。
光纤的信号传输速度接近光速，因此能够在瞬间将大量数据传输出去。
此外，光纤的传输距离远，光信号在光纤中传输时几乎没有能量损失，使得信号可以长距离传输。
这使得光纤在电信网络中能够实现远距离通信，极大地拓展了通信的范围。
另外，光纤还具有抗干扰性强、安全性高等优点，使得它在保密通信领域得到广泛应用。
光纤的应用不仅局限于通信领域，还涉及到其他许多领域。
例如，医疗领域中的内窥镜采用了光纤技术，使得医生能够通过光纤将图像传输到显示屏上，用于诊断和治疗。
此外，工业领域中的光纤传感技术也得到了广泛应用，可以监测和测量各种参数，如温度、压力等。
光纤传感技术能够实现高精度的测量，并且由于光纤的柔性和耐腐蚀性，使得它在工业环境中具有更广泛的应用前景。
光纤思考题
光纤通信第一章：1、什么是光纤通信：光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式2、光纤的主要作用是什么？引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。
Or（单模光纤的纤芯直径为4μm～10μm，适用于高速长途通信系统。
多模光纤的纤芯直径为50μm，适用于低速短距离通信系统）3、与电缆或微波等通信方式相比，光纤通信有何优缺点？光纤通信有何优点：容许频带很宽，传输容量很大 损耗很小，中继距离很长且误码率很小重量轻、体积小丶抗电磁干扰性能好泄漏小，保密性能好 节约金属材料，有利于资源合理使用or与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下：(1)传输频带极宽，通信容量很大(2)由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；(3)串扰小，信号传输质量高；(4)光纤抗电磁干扰，保密性好；(5)光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；(6)耐化学腐蚀；（7)光纤是石英玻璃拉制成形原材料来源丰富4、为什么说使用光纤通信可以节省大量有色金属？5、为什么说光纤通信具有传输频带宽，通信容量大？光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一堆光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输3000多路电话，频带宽对于各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网（B-ISDN）发展的需要。
6、可见光是人眼能看见的光，其波长范围是多少？0.39~0.76μm7、红外线是人眼能看见的光，其波长范围是多少？0.76~300μm8、近红外区：其波长范围是多少？0.76~1.5μm9、光纤通信所用光波的波长范围是多少？0.8~1.6μm10、光纤通信中常用的三个低损耗的窗口的中心波长分别是多少？0.85,1.30,1.55μm第二章：1、典型光纤由几部分组成？各部分的作用是什么？光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成。
其中纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。
光纤的特性
6. 2 量规R口公差带
• 制造公差和通规公差带位置要素Z是综合考虑了量规的制造工艺水平 和一定的使用寿命，按工件的基本尺寸、公差等级给出的。具体数值 见表6.1。
• 2.验收号规
• 检验部门或用户验收产品时所用的量规。在量规国家标准中，没有单 独规定验收量规的公差带，但规定了量规的使用顺序。
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6. 3 量规设计
• (2)计算工作量规的极限偏差 • ①φ20 H7孔用塞规 • 通规 上偏差=EI+Z+T/2=0+0.0034+0.0012=+0.0046(mm) • 下偏差=EI+Z-T/2=0+0.0034-0.0012=+0.0022(mm) • 磨损极限=EI=0 • 止规 上偏差=ES=+0.0021mm • 下偏差=ES-T=0.021-0.0024=+0.0186(mm)
• 必须指出，只有在保证被检验工件的形状误差不致影响配合性质的前 提下，才允许使用偏离极限尺寸判断原则的量规。
• 选用量规结构型式时,必须考虑工件结构、大小、产量和检验效率等, 图6. 3给出了量规的型式及其应用。
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6. 3 量规设计
• 2.量规极限偏差的计算
• 例6. 1计算φ20H7/f6孔、轴用工作量规的极限偏差 • 解:首先确定被测孔、轴的极限偏差。查第2章极限与配合标准，φ20
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4.1
• 上两式表明，影响光纤系统传输、透过性能的是总损耗。若仅从进入 光纤的光功率考虑计算，即将光纤内的衰减与系统中的耦合损耗分开，
• 在科学研究与工程实用中，通常用对数分贝的标度来定义、计算光纤 的损耗(衰减)。如光纤长度为L，输入光功率为Pin，输出光功率为 Pout，则损耗是量度输出与输入光功率比Pout/Pin 用对数分贝标度方法，则光纤的损耗(衰减)系数A可以用如下单位长 度( km )光纤光功率衰减的分贝数来定义：
《光纤的传输特性》PPT课件
5
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非本征吸收
原材料将在光纤的制造过程中引入杂质，带来较 强的非本征吸收。有害杂质主要有过渡金属离子， 如铁、钴、镍、铜、锰、铬等金属离子和OH－。
OH－吸收峰
6
解决方法： (1)对制造光纤的材料进 行严格的化学提纯，比 如材料达到 99.9999999%的纯度 (2)制造工艺上改进，如 避免使用氢氧焰加热(汽 相轴向沉积法)
0.26
因此可以算出在1320 nm处， 波导色散为：
D w()n c2Vdd 2(V V 2)b1.9
24
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标准单模光纤总的模内色散
一般来说材料色散的影响大于波导色散： |Dm| > |Dw|
DDmDw
1320
25
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模间色散
多模光纤中不同导模具有不同的传播路径和速度导致了 模间色散。
导致的后果： 造成能量辐射损耗
低阶模功率耦合到高阶模
高阶模功率损耗
减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套
12
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宏弯和微弯对损耗的附加影响
基本损耗 宏弯损耗
微弯 损耗
光纤弯曲带来额外损耗
V2 an1 2n2 21/22 aNA
增加，V减少
13
弯曲损耗随模场直径增加显著增加
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PMD 对传输的影响
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色散对传输带宽的影响：宽谱光源
比较大的时候，单模光纤带宽：
BSMF1 /T 41D /4L GH z
例：考虑一个工作在1550 nm的系统，光源谱宽为15 nm，使用 标准单模光纤D = 17 ps/km·nm，那么系统带宽和距离乘积：
11.2 光纤的传输特点.
由于光纤是一种传输媒介,它可以像一般铜缆线,传送电话通话或电脑数据等资料,所不同的 是,光纤传送的是光信号而非电信号，光纤传输具有同轴电缆无法比拟的优பைடு நூலகம்而成为远距离 信息传输的首选设备。因此,光纤具有很多独特的优点。
（1）传输损耗低 损耗是传输介质的重要特性，它只决定了传输信号所需中继的距离。 （2）传输频带宽 光纤的频宽可达1GHz以上。 （3）抗干扰性强 光纤传输中的载波是光波，它是频率极高的电磁波，远远高于一般电 波通讯所使用的频率，所以不受干扰，尤其是强电干扰。 （4）安全性能高 光纤采用的玻璃材质，不导电，防雷击；光纤无法像电缆一样进行窃 听，一旦光缆遭到破坏马上就会发现，因此安全性更强。 （5）重量轻，机械性能好 光纤细小如丝，重量相当轻，即使是多芯光缆，重量也不会 因为芯数增加而成倍增长，而电缆的重量一般都与外径成正比。 （6）光纤传输寿命长，普通视频线缆最多10-15年，光缆的使用寿命长达30-50年。
光纤传输知识点总结
光纤传输知识点总结一、光纤传输的基本原理光纤传输的基本原理是利用光的全内反射特性进行信号的传输。
当光线进入光纤时，如果入射角小于临界角，光线就会被完全反射在光纤的内壁上，不会发生透射。
由于光的速度很快，因此通过光纤的传输速度也非常快。
在光纤传输过程中，光信号会在光纤中不断地进行全内反射，达到信息传输的目的。
二、光纤的特点1. 带宽大：由于光的波长较短，因此光纤的带宽远远大于传统的铜线传输。
2. 传输速度快：光的传输速度非常快，因此光纤传输的速度也非常快，是传统电信号传输的数倍甚至数十倍。
3. 抗干扰能力强：光信号在光纤中传输时，不会受到外界电磁干扰的影响，因此光纤传输的抗干扰能力非常强。
4. 传输距离远：由于光的传输损耗小，因此光纤传输可以实现更远距离的信号传输。
5. 体积小、重量轻：与传统的电缆相比，光纤具有较小的体积和重量，便于安装和维护。
三、光纤传输系统的结构光纤传输系统主要由光源、光纤、光接收器组成。
光源可以是激光、LED等发光器件，发出的光信号通过光纤传输到目标地点，然后被光接收器接收并转换成电信号。
在实际应用中，光纤传输系统通常还包括光纤放大器、光纤复用器、光纤解复用器等辅助设备，以及光纤连接器、光纤延长器等光纤配件。
四、光纤传输的应用1. 通讯领域：光纤传输在通讯领域得到了广泛的应用，包括电话通讯、数据传输、因特网接入等。
光纤传输的高速、大带宽特性，使其成为现代通讯系统的重要组成部分。
2. 电视信号传输：光纤传输可以实现高清晰度、高质量的电视信号传输，能够满足用户对高品质影视娱乐的需求。
3. 医疗领域：在医疗影像诊断和手术中，常常需要传输大量的影像数据。
光纤传输的高速、大带宽、抗干扰能力强的特性，使其成为医疗领域的首选传输介质。
4. 工业自动化：自动化生产线通常需要大量的传感器和执行器进行数据传输和控制，光纤传输可以满足这些设备的高速、抗干扰的需求。
5. 军事领域：光纤传输在军事通讯、雷达系统、导航系统等领域得到了广泛的应用，其高速、高可靠性的特性可以满足军事通讯的各种需求。
光纤通信技术教案
第1章 光纤通信概述1.1光纤通信的基本概念 1.光纤通信光纤通信是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。
2.光波特性 （1）光速：① 在真空中：v f ，oc f （8c 310m /s ）② 在介质中：v c /n （n 是折射率） （2）光是电磁波：TM、TE、TEM （3）光具有二重性① 波动性（宏观）：光具有反射、折射、衍射和干涉等。
② 粒子性（微观）：光具有能量、 动量和质量等。
3.电磁波谱1.1光纤通信的特点 1.优点（1）传输频带宽，通信容量大 （2）传输损耗小 （3）抗电磁干扰（4）光纤线径细、重量轻 （5）制作光纤的资源丰富 2.缺点（1）光纤弯曲半径不宜过小（2）光纤的切断和连接操作技术要求高 （3）分路、耦合操作繁琐1.3 光纤通信系统的基本组成目前光纤通信系统多采用强度调制/直接检波（IM/DD）。
1.光发射机光发射机的主要作用是将电信号转换成光信号耦合进光纤。
光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体激光器（LD）或半导体发光二极管（LED）。
2.光接收机光接收机中的重要部件是能够完成光/电转换任务的光电检测器，目前主要采用光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
3.光中继器光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光-电-光转换形式的中继器，另一种是在光信号上直接放大的光放大器。
1.4 光纤通信的发展趋势1.向超高速光纤系统发展2.向超大容量WDM系统发展3.向光传送网方向发展4.向G.655光纤发展5.向宽带光纤接入网方向发展（FTTH）第2章 光导纤维2.1 光纤的结构和分类2.1.1 光纤的结构1.纤芯层（1）位置：光纤的中心部位，折射率为n1。
（2）尺寸：单模光纤的直径d1=2a=4μm～10μm，多模光纤的直径d1=50μm。
（3）材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂。
2.包层（1）位置：位于纤芯的周围，折射率为n2。
光纤维知识点归纳总结
光纤维知识点归纳总结一、光纤的基本原理光纤传播的基本原理是全反射原理。
光在光纤中的传播是由于光在光密介质与光疏介质之间反射所致。
当光线入射在两种介质交界面上，发生的折射和反射是由折射率决定的。
而光纤通过改变折射率的设计，使得当光线沿着光纤传输时，不会发生漏光，从而保证了光信号的传输。
二、光纤的结构光纤通常由芯、包层和外护套组成。
芯是光纤传输光信号的主体，包层用于约束和保护光信号，外护套则用于保护光纤本身以及增强其机械性能。
光纤的结构设计与材料的选择对光信号的传输性能有着重要的影响。
三、光纤的类型根据光纤芯和包层的折射率，可以将光纤分为单模光纤和多模光纤。
单模光纤是指在光纤芯中只有一条光路，适用于远距离通信和高速数据传输；多模光纤是指光纤芯中存在多条光路，适用于短距离通信和局域网传输。
另外，光纤还可根据其传输性能和应用环境的不同分为标准单模光纤、非标单模光纤、高分子光纤等类型。
四、光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括传输损耗、色散、非线性效应等。
传输损耗是指光信号在光纤传输过程中损失的能量，主要包括吸收损耗、散射损耗、泄漏损耗等。
色散是指光信号在光纤中传播速度与光波长有关，从而引起信号失真的现象。
非线性效应是指光信号在光纤中传播过程中出现的非线性光学效应，如光子效应、拉曼效应等。
五、光纤的应用光纤在通信领域被广泛应用，包括长距离传输、城市通信、局域网、光纤传感等。
同时，光纤还在医学、军事、工业、科研等领域也有着重要的应用，如光纤传感器、激光器、光纤放大器等。
光纤作为一种重要的光学传输介质，在信息通信、光电子技术、生物医学、制造技术等众多领域都有着重要的应用价值。
通过了解光纤的基本原理、结构、类型、传输特性和应用，我们可以更深入地理解光纤技术的发展和应用前景。
希望本文对大家有所帮助，欢迎指正补充。
光纤的传输特性教案(精)
知识点光纤的传输特性一、教学目标：理解光纤的损耗种类和色散种类及对光纤传输的影响。
二、教学重点、难点：损耗的概念、损耗系数、损耗的种类、色散的概念、色散的种类。
三、教学过程设计：1.知识点说明光纤的传输特性包括损耗特性和色散特性。
2.知识点内容1）光信号在光纤内传播，随着距离的增大，能量会越来越弱，其中一部分能量在光纤内部被吸收，一部分可能突破光纤纤芯的束缚，辐射到了光纤外部，这叫做光纤的传输损耗（或传输衰减）。
2）光纤损耗大致可以分为吸收损耗、散射损耗和其他损耗，光纤损耗在波长λ=1.55μm 时损耗最低。
3）光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。
4）主要包括模式色散、材料色散、波导色散和偏振模色散。
5）对于多模光纤，主要是模式色散。
对于单模光纤，不存在模式色散，主要影响的是材料色散。
6）对于单模光纤来说，在某一波长附近，材料色散和波导色散相互抵消零色散波长，大约是1.31 μm。
3.知识点讲解7）从光纤的传输损耗的概念开始讲解。
8）分析光纤损耗的原因及对传输的影响。
9）讲解光纤色散的概念和种类。
10）分析单模光纤和多模光纤的色散影响因素，单模光纤来说，在1.31 μm材料色散和波导色散相互抵消。
四、课后作业或思考题：1、多模光纤的色散主要是（）A.材料色散B.波导色散C.偏振模色散D.模式色散2、单模光纤零色散的工作波长是（）A.0.85μmB.1.31μmC.1.33μmD.1.55μm3、最低损耗的光纤通信工作波长是（）A.0.85μmB.1.31μmC.1.33μmD.1.55μm4、光纤的损耗包括（）A.附加损耗B.散射损耗C.吸收损耗D.连接损耗E.微弯损耗五、本节小结：光纤的传输特性包括损耗特性和色散特性，光纤损耗在波长λ=1.55μm 时损耗最低，对单模光纤来说，在1.31 μm材料色散和波导色散相互抵消，色散值近似为零。
光纤特性及传输实验
光纤特性及传输实验光纤是一种能够将光信号传输的纤维材料，由于其具有高带宽、低衰减等优点，广泛应用于通信、医疗、工业等领域。
本文将介绍光纤的特性以及光纤传输实验。
首先，光纤具有以下几个重要特性：1. 高带宽：光纤的传输速度非常快，可以达到光速的70%以上，因此能够传输大量的数据。
2. 低衰减：光纤的衰减很小，一般在每公里0.2-0.5 dB以内，因此信号的传输损失较小，可以实现长距离的传输。
3. 抗干扰能力强：光纤的信号传输是通过光的全内反射实现的，不会受到电磁干扰的影响，因此具有较高的抗干扰能力。
4. 安全性高：光信号传输不会产生电磁辐射，不易被窃听，因此具有较高的安全性。
光纤传输实验是通过实际操作来验证光纤的传输性能和特性。
下面将介绍一种常见的光纤传输实验方法。
实验材料：1. 光纤：可以使用单模光纤或多模光纤，长度约为几十米至几百米。
2. 光源：可以使用激光器或LED作为光源。
3. 接收器：用于接收光信号的光电二极管或光电探测器。
4. 信号发生器：用于产生测试信号。
实验步骤：1. 将光纤的一端连接到光源，另一端连接到接收器。
2. 设置信号发生器的输出信号，并将信号输入到光源端。
3. 观察接收器的输出信号，并记录下来。
4. 改变光纤的长度、弯曲程度等条件，再次观察并记录输出信号。
5. 根据实验记录，分析光纤在不同条件下的传输性能。
实验结果分析：通过实验可以得到光纤在不同条件下的传输结果。
例如，当光纤长度增加时，输出信号的衰减程度会增加；当光纤弯曲程度增加时，输出信号的衰减程度也会增加。
这些结果验证了光纤的低衰减特性以及对弯曲的敏感性。
此外，实验还可以验证光纤的带宽特性。
可以通过改变信号发生器的频率，观察输出信号的变化。
当信号频率增加时，输出信号的衰减程度会增加，说明光纤的传输带宽有限。
总结：光纤具有高带宽、低衰减、抗干扰能力强和安全性高等特性，在实际应用中具有广泛的应用前景。
通过光纤传输实验，可以验证光纤的传输性能和特性，为光纤通信的设计和应用提供参考。
光纤传输特性实验实验报告
光纤传输特性实验实验报告实验报告：光纤传输特性实验一、实验目的1. 了解光纤传输的基本原理和特性；2. 掌握光纤传输信号损耗的测量方法；3. 了解光纤覆盖层的保护作用和光纤附加噪声。
二、实验仪器1. 光纤传输箱；2. 光纤光源；3. 光纤接收仪；4. 光纤带宽检测装置；5. 光源电源。
三、实验原理1. 光纤传输基本原理：光纤传输是利用光在纤维中的反射和折射来传输信息的一种方式。
光纤由纤芯、包层和裸露纤芯组成，光信号通过射入纤芯，然后沿着纤芯的光轴传播。
纤芯是光传输的核心，包层则用于保护光传输中的信号。
2. 光纤传输信号损耗的测量方法：光纤传输中的信号衰减主要包括衰减损耗和连接损耗。
衰减损耗是指光信号沿光纤传输中由于各种原因所导致的信号强度的损失。
连接损耗是指光纤之间的连接所带来的光信号损失。
测量光纤传输中的信号损耗常用的方法是利用光纤接收仪读取光源发出的光强度，然后与光源发出的光强度进行比较，计算信号损耗。
3. 光纤覆盖层的保护作用：光纤的包层主要用于保护光纤的传输信号，减少信号损耗。
光纤的包层一般由石英、聚合物等材料构成，具有较高的折射率，能够使光信号在纤芯中传播时发生全内反射。
同时，包层还能够阻止外界的干扰信号进入纤芯中。
4. 光纤附加噪声：光纤传输过程中，会产生一些附加噪声，如光源的热噪声、光纤中的射频噪声等。
这些噪声会对信号的传输质量产生影响。
因此，为了保证光纤传输信号的质量，需要对光纤信号进行接收时进行噪声的抑制。
四、实验步骤1. 打开光纤传输箱，接通光纤光源和接收仪的电源；2. 将纤芯连接器插入光纤光源的输出接口，将接收仪的接收端与纤芯接收端连接；3. 在光纤光源仪器上设置输出功率为一定的数值，如10mW；4. 使用光纤带宽检测装置测量光纤传输的带宽；5. 测量信号损耗，调整光源的输出功率，记录不同功率下的信号强度；6. 记录实验数据。
五、实验结果分析1. 光纤传输的信号损耗：根据实验数据计算出不同功率下信号的损耗率，并观察信号损耗与功率之间的关系；2. 光纤传输的带宽：根据光纤带宽检测装置的测量结果，计算出光纤的带宽范围；3. 光纤传输的附加噪声：观察实验数据中的噪声情况，并分析噪声对信号传输的影响。
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多模光纤中模式色散占主导地位；单模光纤中包含材料 色散、波导色散和极化色散；严格地说，极化色散属于模式 色散。
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3.2光纤的色散特性
3.2.2 模式色散
射线理论解释：由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成 的时延差。常用时延差表示色散程度。
1.阶跃型光纤中的模式色散
从射线理论角度，计算模式色散公式为： Ln L L Ln n M 1 ( 1 1) 1 c c c n2 c sin c n1 n1 实际的模式色散要比理论计算好一些， 在弱导光纤中： 原因是：(1)传导模间的相互变换(2) n n n n 1 2 1 2 传导模和辐射模间的变换。 n1 n2
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3.1光纤的损耗特性
OH-的吸收损耗
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3.1光纤的损耗特性
3.原子缺陷吸收损耗
通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时将会发 生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产 生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。 原子缺陷吸收，可以通过选用合适的制造工艺、不同的掺杂材料及含量 使之减小到可以忽略不计的程度。
本章研究内容
主要介绍光纤的传输特性，首先重点分析光纤的损耗特性、色散特性及 色散和带宽对通信容量的影响，其次简要介绍成缆对光纤特性的影响以 及典型光纤的主要特性参数。
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3.1光纤的损耗特性
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3.1光纤的损耗特性
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3.1光纤的损耗特性
光纤通信是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，其损耗机理也很复杂。本章以石英光纤 为例来讨论引起光纤损耗的各种机理。
吸收损耗的结论：本征吸收损耗在光纤通信系统工作波长范围内的影响并 不明显但是这种衰耗限制了光纤通信系统的工作波长向紫外和更长的波段 延伸。
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3.1光纤的损耗特性
2.杂质吸收损耗
光纤中的氢氧根离子和过渡金属离子造成的损耗，过渡金属离子比 较容易去除，过渡金属离子包括：铁(Fe)、铜(Cu)、钒(V)、钴(Co)、镍 (Ni)、锰(Mn)和铬(Cr)，在光通信使用的波长范围内有强烈的吸收作用。 当要求损耗低于20dB/km时，过渡金属离子浓度不能超过几个ppb(十亿分 之一)。目前在高纯度的石英光纤中可达到此纯度，因此过渡金属离子的影 响很小。 氢氧根离子含量低，但吸收影响较大，不过，随着科技的发展和工艺的 不断提高，OH-的含量将不断降低。当降到0.8~1.0ppb(10-9)时,在0.7~1.6 微米波谱范围内，其吸收峰基本消失，得到如下图所示虚线所示的曲线， 1.31 m波长窗口和1.55 m波长窗口不再被OH-吸收峰隔开，因此，可以 得到一个很宽的低损耗波长窗口，有利于波分复用。
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3.2光纤的色散特性
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3.2光纤的色散特性
3.2.1 色散的概念
色散：在光纤中，光信号是由很多不同的成分(如不同模式、不同频率)组 成的，由于信号的各频率成份或各模式成份的传播速度不同，经过光纤 传输一段距离后，不同成份之间出现时延差，从而引起信号畸变，这种 现象称为色散。 色散的危害：在数字光纤通信系统中，会引起光脉冲展宽，严重时前后 脉冲将相互重叠，形成码间干扰，误码率增大，影响了光纤的传输带宽 从而限制了光纤通信系统的传输容量和中继距离。 色散分类：按色散产生的原因，分为模式(模间)色散、材料色散、波导 色散和极化色散。
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3.1光纤的损耗特性
3.1.4 光纤损耗系数
定义：为了衡量一根光纤损耗特性的好坏，在此引入损耗系数(衰减系数 ) 的概念，即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数，一 般用 表示损耗系数，单位是dB/km。用数学表达式表示为：
10 P lg 1 (dB / km) L P2
补充说明：在光纤的拉制过程中，玻璃处在熔融状态，其分子处在无规则的
热运动状态。加热过程提供了热运动能量。当熔融石英冷却时，热运动强 度也随之降低。达到固态时，随机分布的分子定位在玻璃中。这种随机分 布导致了玻璃密度的涨落，从而产生折射率的涨落。这种密度涨落就像是 在某种均匀物质中随机掺入了某种小颗粒。这种颗粒的尺寸远小于光波长。 当光线通过这种结构的材料传播时，有一部分光能量会由于颗粒的影响而 发生散射，这种损耗为瑞利散射。这种散射完全由光纤的材料决定，对于 给定的玻璃材料，要制造出比这个损耗值更低的光纤是不可能的。
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3.1光纤的损耗特性
(2)光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗)
定义：在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能 造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化， 圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等。这些结构上不完善处的尺寸远大 于光波波长，引起与波长无关的散射损耗。随着工艺的改进，损耗可以降 低到0.01~0.05dB/km的范围之内。
举例：在x射线和r(伽马)射线的照射下，光纤中的中子和电子运动也会 产生原子缺陷。通常情况下，高纯度、高石英含量的玻璃光纤抗辐射缺 陷损耗的能力最强，塑料光纤和低纯度玻璃光纤较差。
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3.1光纤的损耗特性
3.1.2 散射损耗
散射：光线通过均匀透明介质时，从侧面是难以看到光线的。如果介质 不均匀，如空气中漂浮的大量灰尘，我们便可以从侧面清晰地看到光束 的轨迹。这是由于介质中的不均匀性使光线朝四面八方散开的结果，这 种现象称之为散射。 散射损耗是以光能的形式把能量辐射出光纤之外的一种损耗。散射损耗 可分为线性散射损耗和非线性散射损耗。 1.线性散射损耗 定义：任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状 和折射率分布等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射 性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关 系，所以称为线性散射损耗。 线性散射损耗包括瑞利散射和光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射 损耗)。
光纤在涂覆保护层以及成缆时容易产生微弯。
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3.1光纤的损耗特性
光纤损耗特性总结
以GeO2-P2O5-SiO2光纤损耗的波谱图为例，介绍光纤的各种损耗特性。 发现对于玻璃光纤，较大的损耗使得800nm到900nm这个波长范围仅仅 适合中短距离(直到数千米)传输。多模光纤通常就使用这个波长范围，可 以称其为第一传输窗口。在1260nm~1675nm这个波长范围以内，损耗比 第一传输窗口要小。1400nm附近处的OH根吸收峰又将这个区域隔开， 在这个区域中可以再分成三个传输窗口，即以1300nm为中心的第二传输 窗口、以1550nm为中心的第三传输窗口和以1600nm为中心的第四传输 窗口。
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3.1光纤的损耗特性
紫外和红外吸收损耗，构成了光纤的本征吸收损耗，它是材料本身所 固有的，只有改变材料成分才能有微小改变。因此，在光纤制造过程中可 以通过合理地选择光纤的掺杂材料来减小本征吸收损耗。实验表明：当工 作波长较长时，掺GeO2杂质的光纤材料是最理想的。用SiO2-GeO2材料制 成的单模光纤，在 1.55 m 波长处测得的损耗仅为0.2dB/km。关于本征
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3.1光纤的损耗特性
(1)瑞利散射
瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。从图3-1中可以看到这 种损耗随着波长的增加而急剧减小。从图3-1还可以看出，对于短波长光纤 损耗主要取决于瑞利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损耗也是一种本 征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。
工作波长/������m
1.55
1.31
0.85
损耗值/（dB∙km-1）
0.2
0.4
2.5
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3.1光纤的损耗特性
光纤损耗系数
关于光纤损耗系数的例题： 某一光纤通信系统的工作波长为1300nm，光纤损耗0.5dB/km 光源LED的发射功率为1.59mW，光源与光纤之间的耦合衰减 为16dB。系统连接器和熔接点的总损耗为6dB。接收机灵敏度 (在给定误码率或信噪比的条件下，接收机能检测到的最小光 功率)为-30dBm。预留4dB的富裕度以防系统性能劣化(例如预 防LED的老化)。求此条件下的最大可用光纤长度。 解：在功率预算中为了便于计算，一般用dB或dBm为单位。 例如，LED发射功率为1.59mW，等于2dBm。容许的光纤 总损耗为6dB，换算成长度为6/0.5=12km。
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概述
光纤的特性
基本上可以分为几何尺寸特性、光学特性、传输特性，机械特性和温 度特性五类。 几何尺寸——特性包括光纤的包层直径、芯径、偏心度和椭圆度等； 光学特性——主要包括折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长； 传输特性——主要指光纤的损耗特性、色散和带宽特性。 传输特性是光纤最主要的特性。
第三章 光纤的传输特性
电子与信息工程学院通信技术研究所
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目录
3.1光纤的损耗特性 (1)吸收损耗(2)散射损耗(3)弯曲损耗(4)光纤的损耗 系数 3.2光纤的色散特性 (1)色散的概念(2)模式色散(3)材料色散(4)波导色散 (5)极化色散(6)总色散(7)光纤的色散和带宽对通信 容量的影响 3.3成缆对光纤特性的影响 (1)光缆特性(2)成缆对光纤特性的影响 3.4典型光纤参数 3.5小结
考虑这两种散射损耗的影响。
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3.1光纤的损耗特性
3.1.3 弯曲损耗
光纤的弯曲有两种形式，分别是宏弯和微弯。宏弯： 曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲；微弯：光纤轴线产
生微米级的弯曲。
光纤弯曲会造成模式转换，低阶模 转成高阶模，从而造成损耗增大， 若导模转换为辐射模，则造成辐射 损耗。另一种解释是弯曲处不满足 全反射条件。
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3.1光纤的损耗特性
3.1.1 吸收损耗