单模光纤色散

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单模光纤传输色散的主要原因

单模光纤传输色散的主要原因单模光纤是一种用于光通信的传输介质，它具有传输带宽大、传输损耗小的优势，因此被广泛应用于长距离的光通信系统中。

然而，在光纤传输过程中，会出现一种现象称为色散，它会影响信号的传输质量和距离。

本文将介绍色散的主要原因以及对光纤传输的影响。

色散是指光信号在传输过程中不同波长的光的传播速度不同，从而导致光信号发生扩散现象。

色散的主要原因可以归结为两点：色散介质的折射率对波长的依赖性以及光纤的结构特性。

色散介质的折射率对波长的依赖性是导致色散的主要原因之一。

在光纤中，光信号是通过光的全反射来进行传输的。

而光在光纤中的传播速度与介质的折射率有关。

不同波长的光在同一介质中的折射率是不同的，这就导致了不同波长的光在传输过程中会出现不同的传播速度。

当光信号中包含多个波长的光同时传输时，由于波长的差异，它们会以不同的速度传播，从而导致光信号的扩散现象，即色散。

光纤的结构特性也会影响光信号的传输质量和距离。

光纤是由芯和包层构成的，芯是光信号传输的核心部分，而包层则用于保护和引导光信号。

而光纤的结构特性主要体现在芯的直径和包层的折射率上。

当光纤的芯直径较大时，光信号在传输过程中会发生多次反射，从而导致不同路径的光信号传播时间不同，进而引起色散现象。

此外，包层的折射率也会影响光信号的传输速度，当包层的折射率不均匀或与芯的折射率存在差异时，也会导致光信号的色散。

色散对光纤传输的影响主要体现在两个方面：信号失真和传输距离的限制。

由于不同波长的光在传输过程中会以不同的速度传播，当光信号中包含多个波长的光同时传输时，它们会在一定距离后发生扩散，导致信号失真。

这会降低光信号的传输质量，使得接收端无法正确解读信号。

此外，色散还会限制光信号的传输距离。

由于光纤中不同波长的光在传输过程中会以不同的速度传播，当传输距离较长时，不同波长的光会逐渐分离，使得信号质量下降，传输距离受到限制。

为了克服色散对光纤传输的影响，人们采用了一系列的补偿措施。

光纤的色散波长范围

光纤的色散波长范围
光纤的色散波长范围取决于它的材料、制造工艺和设计。

光纤的色散分为色散波长和色散量两种。

1. 色散波长（Dispersion wavelength）：光纤在这个波长附近的色散效应最为显著。

不同材料的光纤具有不同的色散波长范围。

- 单模光纤：单模光纤的色散波长范围通常在1.26μm至1.64μm之间。

这个范围内的光纤称为C波段光纤。

- 多模光纤：多模光纤的色散波长范围通常在0.8μm至1.4μm之间。

这个范围内的光纤称为通用光纤。

2. 色散量（Dispersion）：光纤在特定波长下的色散量用来描述光信号在光纤中传播时的色散现象。

色散量通常以补偿模的传输距离（Dispersion Compensated Fiber Length）来表示。

不同材料、制造工艺和设计的光纤具有不同的色散量。

总结来说，光纤的色散波长范围可以根据材料和设计进行调整，但常见的单模光纤的色散波长范围是在1.26μm至1.64μm之间，多模光纤的色散波长范围通常在0.8μm至1.4μm之间。

单模光纤色散与衰减系数的关系

单模光纤色散与衰减系数的关系光纤是一种用于传输光信号的基础材料。

光通过光纤行进时，会出现色散和衰减现象。

色散是指在不同波长的光在光纤中传播的速度不同，导致光波形失真。

衰减是指光在光纤中传播过程中逐渐减弱的现象。

本文将重点探讨单模光纤的色散和衰减系数之间的关系。

单模光纤是一种光学纤维，其内部只有一个传播模式。

由于其传输模式单一，其传输速度较快，且可传输更多的信息。

然而，由于光在光纤中传播时，会与光纤材料相互作用，因此会出现色散和衰减现象。

色散可分为色散量和相位色散。

1. 色散量色散量是指不同波长的光在光纤中传播距离相同时，波形间的相对时移量。

色散量可分为色散时间和色散频率。

其中，色散时间是指不同波长的光在光纤中行进一定距离时，波形之间的时间差。

色散频率是指不同频率的光在光纤中传播时，波形相对移动的频率。

相位色散是指光在波长发生变化时，光波相对相位差发生的变化。

由于不同波长的光在光纤中传播的速度不同，波形在传播过程中会出现变形，导致相位差发生变化。

相位色散可通过引入折射率色散补偿来减少，其原理是通过改变纤芯和包层的折射率，使光在波长变化时产生相反的色散，达到抵消色散的目的。

3. 衰减衰减是指光在光纤中传输时，由于光与光纤材料相互作用，导致光能量逐渐减弱的现象。

衰减主要分为吸收衰减和散射衰减。

吸收衰减是指光在光纤材料中被吸收消耗的能量，导致光能量逐渐减弱。

散射衰减是指光在光纤中发生散射，导致光能量逐渐减弱。

为了减少衰减，可采取多种措施，如优化光纤材料、减少截面损耗等。

单模光纤的色散和衰减系数之间有一定的关系。

色散系数性质可以用来描述光纤中不同波长的光的传播速度差异。

因此，色散系数越小，光纤中不同波长的光传播的速度差异越小，波形失真越小。

同样，衰减系数可以用来描述光在传输过程中逐渐减弱的情况。

因此，衰减系数越小，光在传输过程中逐渐减弱的情况越小，传输距离越远。

综合考虑，当单模光纤的色散系数和衰减系数较小时，光在光纤中传输时波形失真较小，传输距离较远，传输质量较高。

光纤的色散特性

色散受限距离短
2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km
10Gb/s系统色度色散受限距离约34km
G.652+DCF方案升级扩容成本高
结论:
不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于 2.5Gb/s以下速率的DWDM。
光纤的色散特性
色散位移光纤
单模光纤的工作波长在1.3μm时，模场直径约 9μm，其传输损耗约0.3dB／km。此时，零色散波长恰好在1.3μm处。
色散位移光纤
G.655单模光纤（NZ-DSF）常规G.655
非零色散位移光纤
大有效面积G.655
光纤的色散特性
G.652单模光纤（NDSF）
大多数已安装的光纤
(1)在1310nm 波长处的色散为零。 (2)在波长为1550nm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km，但在1550nm 附近其具有较大色散系数，为17ps/(nm·km)。 (3) 工作波长即可选在1310nm波长区域，又可选在1550nm波长区域，它的最佳工作波长在1310nm区域。G.652 光纤是当前使用最为广泛的光纤。
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光纤的色散特性
二、色散的种类
模式色散材料色散波导色散
光纤的色散特性
模式色散
模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。
光纤的色散特性
多模光纤中的每一个模式的能量都以略有差别的速度传播（模间色散），因此导致光脉冲在长距离光纤中传播时被展宽（脉冲展宽）
波导色散和材料色散都是模式的本身色散，也称模内色散。对于多模光纤，既有模式色散，又有模内色散，但主要以模式色散为主。而单模光纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散，由于波导色散比材料色散小很多，通常可以忽略。

1.5单模光纤

圆度、减小其内部残余应力，以尽量减小单模光纤中的双折射；
法二：制作可能高的双折射光纤，使两个基模的传输系数之差很大，使光纤微扰产生的耦合作用很小，当光纤输入端激发起某一个极化方向的基模时，可以在较长的距离里保持它的主导地位，从而得到单模单极化传输；
法三：把光纤设计成水平极化或垂直极化被，使两个极化方向的模式的传输损耗不等，以致使其中一个截止，得到绝对单模光纤。
两模式间的相位差
两个正交的LP01模 Ex E0 cos cos( t x z) Ey E0 sin cos( t x z)
y
xz
Ex、Ey平方相加得椭圆公式，长轴Emax与x轴夹
角ψ
tan 2 tan 2 cos tan 2 cos( y x )z
可见，输入线极化波，沿线可能变成椭圆极化、圆极化、线极化等，使极化方向旋转。
1.5 单模光纤
单模光纤应用范围：光通信、光纤传感器、激光放大器件等 1.5.1 单模光纤的基本分析传输基模是HE11模（或LP01模），但其简并度为2；理想阶跃折射率光纤，归一化频率V<2.405时
横向电场分量：
定义λc为单模光纤截止波长，则有
2 n0a 2
c
2.405
当传输光波长大于λc时，满足在该光纤中的单模传输条件
1.5.2 单模光纤的结构
常规型
W型
凹陷型
多层结构：纤芯、内包层、外包层。
采用内包层的作用：减小基模的损耗；
（电磁场集中纤芯←→单模传输）得到纤芯半径较大的单模光纤；（单模传输←→ 非线性光学效应）
1.5.3 单模光纤的频率色散
材料色散；波导色散 1、单模光纤频率色散的计算
单位长度的光纤中的传输时延 d d Ld

单模光纤的色散

光纤色散在光纤中传输的光信号（脉冲）的不同频率成份或不同的模式分量以不同的速度传播，到达一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽），这种现象称为光纤的色散或弥散。

光纤中传输的光信号具有一定的频谱宽度，也就是说光信号具有许多不同的频率成分。

同时，在多模光纤中，光信号还可能由若干个模式叠加而成，也就是说上述每一个频率成份还可能由若干个模式分量来构成。

光纤的色散主要有材料色散、波导色散、偏振模色散和模间色散四种。

其中，模间色散是多模光纤所特有的。

这四种色散作用还相互影响，由于材料折射率n是波长λ（或频率w）的非线性函数，d2n/d2λ≠0，于是不同频率的光波传输的群速度不同，所导致的色散成为材料色散。

由于导引模的传播常数β是波长λ(或频率w)的非线性函数，使得该导引模的群速度随着光波长的变化而变化，所产生的色散成为波导色散（或结构色散）。

偏振模色散指光纤中偏振色散，简称PMD(polarization modedispersion)，它是由于实际的光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，沿光纤传播过程中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等因素变化或扰动，使得两模式发生耦合，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽，引起信号失真。

不同的导引模的群速度不同引起的色散成为模间色散，模间色散只存在与多模光纤中。

色散限制了光纤的带宽—距离乘积值。

色散越大，光纤中的带宽—距离乘积越小，在传输距离一定（距离由光纤衰减确定）时，带宽就越小，带宽的大小决定传输信息容量的大小。

光纤色散可以使脉冲展宽，而导致误码。

这是在通信网中必须避免的一个问题，也是长距离传输系统中需要解决的一个课题。

一般来说，光纤色散包括材料色散和波导结构色散两部分，材料色散取决于制造光纤的二氧化硅母料和掺杂剂的分散性，而波导色散通常是一种模式的有效折射率随波长而改变的倾向。

材料色散与波导色散都与波长有关，所以又统称为波长色散。

材料色散：是由光纤材料自身特性造成的。

17-光纤色散及补偿方法简述

目录色散及其补偿介绍 (2)一、色散的基本概念 (2)1.1 基本概念 (2)1.2 光纤中色散的种类 (2)1.3 光纤色散表示法 (2)1.4 单模光纤的色散系数 (3)1.5 光纤色散造成的系统性能损伤 (3)1.6 减小色散的技术 (4)1.7 偏振模色散（PMD） (6)二、非线性问题 (7)色散及其补偿介绍当前，光纤通信正向超高速率、超长距离的方向发展。

EDFA的出现为1.55um波长窗口实现大容量、长距离光通信创造了条件，并使光纤通信中衰耗的问题得到了一定的解决。

然而光纤的色散影响仍然是制约因素之一，加之引入光放大器使光信号功率提高之后，光纤的非线性影响又突显出来。

一、色散的基本概念1.1 基本概念光纤色散是由于光纤所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同，而引起传输信号畸变的一种物理现象。

所谓群速度就是光能在光纤中的传输速度。

所谓光信号畸变，一般指脉冲展宽。

1.2 光纤中色散的种类光纤中的色散可分为材料色散、波导色散、模式色散。

材料色散和波导色散也称为模内色散，模式色散也称为模间色散。

材料色散是由于光纤材料的折射率随光源频率的变化引起的，不同光源频率所所应的群速度不同，引起脉冲展宽。

波导色散是由于模传播常数随波长的变化引起的，与光纤波导结构参数有关，它的大小可以和材料色散相比拟。

材料色散和波导色散在单模光纤和多模光纤中均存在。

模式色散是由于不同传导模在某一相同光源频率下具有不同的群速度，所引起的脉冲展宽。

模式色散主要存在于多模光纤中。

简而言之，材料色散和波导色散是由于光纤传输的信号不是单一频率所引起的，模式色散是由于光纤传输的信号不是单一模式所引起的。

1.3 光纤色散表示法在光纤中，不同速度的信号传过同样的距离会有不同的时延，从而产生时延差，时延差越大，表示色散越严重。

因而，常用时延差来表示色散程度。

时延并不表示色散值，时延差用于表示色散值。

若各信号成分的时延相同，则不存在色散，信号在传输过程中不产生畸变。

单模光纤中的色散及色散补偿技术

单模光纤中的色散及色散补偿技术This manuscript was revised on November 28, 2020光通信光纤中的色散补偿技术(原理、优点、缺点)姓名:__彭坚大_ 学号:_ 专业班级:_电04摘要：本文叙述了光通信系统中一个重要的参数——色散，详细介绍了各种色散补偿技术的原理,以及色散补偿光纤和啁啾光纤光栅色散补偿等多种解决方案的特点。

Abstract: This paper describes an important parameter dispersion in optical communication systems. The principles of various dispersion compensation techniques and the characteristics of dispersion compensation fiber and chirped fiber grating dispersion compensation are introduced in detail.关键词：色散效应，色散补偿1.引言色散是由于光纤中所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同,而引起传输信号畸变的一种物理现象。

在光纤中,脉冲色散越小,它所携带的信息容量就越大。

其链路的色散累积直接影响系统的传输性能,自从光纤通信商用开始，至今20余年，国内外已大量敷设了常规单模光纤(G652)的光缆，这类光缆工作在1550nm波段时，有18ps/nm·km的色散，成为影响中继距离的主要因素。

所以，对高速率长距离的系统必须要考虑色散补偿问题，研究宽带多波长色散补偿具有重要意义。

光纤色散产生的因素有:材料色散、波导色散、模式色散等等。

但主要是前面两项因素引起不同波长的光在光纤中传播造成群时延差。

解决光信号色散引起群时延差的方法就是色散补偿技术。

2.色散补偿原理光纤色散述语一、色散及其表示：由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。

光纤色散系数公式

光纤色散系数公式
光纤色散系数是描述光纤中不同波长的光信号经过传输后，信号在时间上出现的不同程度的扩散现象的参数。

光纤色散系数一般只对单模光纤来说，包括材料色散和波导色散，统称色散系数。

光纤色散系数可以用以下公式表示：
D(λ) = (D1 - D2) / λc
其中，D1和D2分别表示两个波长下的群速度色散，λc表示中心波长。

另一种表示方法为：
D(λ) = δλ * D * L
其中，δλ为光源的均方根谱宽，D(λ)为色散系数，L为长度。

单模光纤色散系数一般为20ps/km·nm，光纤长度越长，则引起的色散总值就越大。

还有一种表示方法为：
D(λ) = Δτ(λ) * π^3 / Δλ
其中，Δτ(λ)为单位长度光纤上的时延差，Δλ是光源上的线宽。

需要注意的是，光纤色散系数的具体公式可能会因不同的定义和计算方式而有所不同。

在实际应用中，应根据具体情况选择合适的公式进行计算。

G652、G657光纤介绍

对于G.652B型光纤，必须支持10Gbit/s系统传输距离可达3000km以上， 40Gbit/s系统的传输距离为80km。
对于G.652C型光纤，基本属性与G.652A相同，但在1550nm的衰减系数更低，而且消除了1380nm附近的水吸收峰，即系统可以工作在1360~1530nm波段。
G.652D型光纤的属性与G.652B光纤基本相同，而衰减系数与G.652C光纤相同，即系统可以工作在1360~1530nm波段。
吸收衰减：由石英玻璃中的OH离子吸收和过渡金属离子吸收所造成的衰减。散射衰减：主要取决于瑞利散射和波导散射。瑞利散射属于固有散射,是由于
光纤材料中折射率不均匀造成的。波导散射是与光纤波导结构缺陷有关的散射。附加衰减：光纤成缆之后产生的衰减。
1.附加衰减：在实际使用的光缆线路中,光缆中的光纤不可避免地受到各种弯曲应力
10. 衰减不均匀性光纤衰减不均匀性：≤0.05dB
二、G.657光纤知识简介
在FTTH建设中，由于光缆被安放在拥挤的管道中或者经过多次弯曲后被固定在接线盒或插座等具有狭小空间的线路终端设备中，所以FTTH用的光缆应该是结构简单、敷设方便和价格便宜的光缆。因此，一些著名的制造厂商纷纷开展了抗弯曲单模光纤的研究。为了规范抗弯曲单模光纤产品的性能，ITU-T于2006年12月发布了ITU-TG.657“接入网用弯曲不敏感单模光纤和光缆特性”的标准建议，即G.657光纤标准。
作用。这些弯曲应力作用的结果是使光纤中的传导模变换为辐射模而导致光功率损失。这些弯曲应力作用的结果是使光纤中的传导模变换为辐射模而导致光功率损失。
光纤的弯曲损耗α与光纤的折射率分布结构参数(相对折射率△、纤芯半径a)有关,即 α=k(a/△)2

光纤的色散特性

Optical fiber communications
1-1 2020/3/1
Copyright Wang Yan
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications 1-2 2020/3/1
1、材料色散：n=n(λ) ，n是波长λ的非线性函数。
2、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。
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1-4
2020/3/1

low
high

n1 c
k0
dn1
d

n2 c
k0
dn2
d

n1 c

n2 c

k0
(
dn1
d

dn2
d
)
n1 n2
cc
二、在时光延纤差中，不0 同速度的信号经过同样的距离会有不同的时
延，从而产生时延差。时延差越大，色散越严重。常用最大
时延差来表示光纤色散程度，简称时延差。
A. 假若有一频率为f的已调光载频在光纤中传播，信号的群
速度：
Vg
d d
（包络线中心前进的速度 vg
d ）
dk
β：信号纵向相位常数，ω：角频率
Optical fiber communications
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1-5 2020/3/1
一、Model Dispersion
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1-3 2020/3/1
Group delay:
g

d d
波长相同，β不同

单模光纤的色散效应

单模光纤的色散效应单模光纤的色散效应：1、定义：单模光纤的色散效应是指在发射单模光纤中，由于不同波段光线的传播时间的差异，会导致其中承载的光信号空间分布在波长方向上出现拉长的现象。

2、造成单模光纤色散效应的因素：（1）光纤中光的散射：由于单模光纤应力性因素和材料层结构不均匀导致各波长光在光纤内发生微小的散射，从而对光纤中引入不同波段光纤的传播时间产生影响。

（2）光纤中光的衍射：在单模光纤核芯和上包层间，存在着光芯半径和包层半径之间的差异，光在这两层之间发生微小的衍射，也会影响到单模光纤的不同波段光的传播时间。

（3）光纤中的截止特性：光在光纤中传播过程中，会受到不同波段光的反射损耗现象的影响，如光在光纤的上包层或衬底层的边缘点反射，从而影响到单模光纤的不同波段光的传播时间。

（4）陶瓷径向变形：在熔融成型过程中，陶瓷介质由于受内部微小热不均匀带来的温度场变化，会产生相对裂缝、开孔，从而影响单模光纤的不同波段光穿越光纤的传播时间。

3、减轻单模光纤色散效应的措施：（1）控制光纤的纵向地形差：单模光纤拉制时，纤芯和包层之间的纵向地形差和曲折变形程度要严格控制。

（2）改善单模光纤的材料特性：在选择单模光纤的材料时，可以考虑选择折射率较高的材料，可以减小光损耗从而减轻单模光纤色散效应。

（3）减少单模光纤中光的衍射：必须保证单模光纤的上包层和纤芯的折射率及其边缘间的比例关系，减少光在中间发生衍射的可能性，从而减轻单模光纤的色散效应。

4、单模光纤的色散效应对系统的影响：由于单模光纤的色散效应，可能会对上行和下行的光信号的正常传输产生影响。

如果未能很好的控制单模光纤的色散效应，可能会导致光信号的传输效率降低，系统的噪声以及干扰增加，从而影响系统的传输质量。

单模光纤中的色散及色散补偿技术

光通信光纤中的色散补偿技术(原理、优点、缺点) 姓名:__彭坚大_ 学号:_11216020418 专业班级:_电04摘要：本文叙述了光通信系统中一个重要的参数——色散，详细介绍了各种色散补偿技术的原理,以及色散补偿光纤和啁啾光纤光栅色散补偿等多种解决方案的特点。

在光纤中,脉冲色散越小,它所携带的信息容量就越大。

所以，对高速率长距离的系统必须要考虑色散补偿问题，研究宽带多波长色散补偿具有重要意义。

光纤色散产生的因素有:材料色散、波导色散、模式色散等等。

但主要是前面两项因素引起不同波长的光在光纤中传播造成群时延差。

解决光信号色散引起群时延差的方法就是色散补偿技术。

2.色散补偿原理2.1 光纤色散述语一、色散及其表示：由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。

光纤的损耗和色散

解决方法： (1) 光纤材料化学提纯，比
如达到 99.9999999% 的 (2) 制纯造度工艺上改进，如避
免使用氢氧焰加热 ( 汽相轴向沉积法)
原子缺陷吸收
光纤制造 -> 材料受到热激励 -> 结构不完善强粒子辐射 -> 材料共价键断裂 -> 原子缺光陷纤晶格很容易在光场的作用下产生振动
群时延色散
通常在波长2域c习惯用Dl 来2表2c示谱宽。
根据w和l之间的关系：
代其入中T DD T(L l中) 称2 ，为那色么散L 可系2 以2 数得2 ：c 到： L D
ps/(km·nm)
标为
准 ~ 1单7 模p s光D/ k(纤m)在·n1m52502cnm2
带宽和距离乘积：
BL < 1 (Gb/s)·km
模内色散对传输带宽的影响
01 不同线宽下的系统色散所允
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅地阐述观点。
03
结论：
一．光源线宽越宽色散越严重二．零色散光纤对提高系统性
02 许的带宽与传输距离的关系 nm：光源线宽非常小
对于高速光链路 (> 40 Gb/s)，色散成为首要考虑的因素之一
1320
1550 nm
普通商用光纤
色散位移光纤
G.656 色散平坦光纤
在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统
总色散
30 20
10 0
-10 -20 -30
1.1 1.2
普通光纤
l1
l2
色散平坦光纤
1.3 1.4 l ( mm)
1.5 1.6 1.7

浅谈单模光纤和多模光纤

浅谈单模光纤和多模光纤谴耸嫩岁獭一6浅谈单模光纤和多模光纤727,//济宁市邮电局在光纤通信系统中,用于传输信息的光纤按其传输特性又要分为单模光纤和多模光纤,在此我就其传导模式,各自特性及一些重要参量对单模光纤和多模光纤进行简单介绍.一,光纤的传导模式我们知道,由于光在不同介质中的传播速度不同,光线经过两个不同介质的交界面时,就产生折射当光线由光密媒质射向光疏媒质,其折射角将比人射角大我们适当改变人射角时,会使折射角Qo=90,如图l所示.图】光牯界角度全反射根据折射定律:nlsonQ1=nOsinO~,当Qo~90.,则幽=',我们把折射角Qo一90对的人射角Ql称为临界角.当光线的人射角大于临界角对,光就会产生全反射现象.光纤就是利用光的这种垒反射特性来导光的从光源射出的光线分别以某一个合适的角度射到光纤的芯子与包层交界面,(其折射率分别为nl和n2, 且nl>n2).只要在光纤内,光线人射角路大于临界角就会在交界面上得到全内反射.于是,这些光线将被束缚在纤芯中沿轴向传播.如图2所示\\r_—乙—L一≥:仕1光在{Gz1光纤中蜿曲蛇行盈2然而,光线在光纤中的传播并不是连续改变人射角时,只要满足全反射条件,光线就可以在光纤中传输,而是根据光的波动性和光波的相位一致性,光波在光纤中必须既满足相位一致,又满足全反射条件时,光线才能真正传播.这样,人射光线在光纤中能得到真正传输的只有有限条离散光束,我们把这每一条光线称之为一个传输模式(也叫传导模).传导模有基模,低状模,高次模之分.由于模的阶数与其模向电场分布的波节数目N是一致的,所以我们用N表示模的阶数.当N=0 时,为其模,记LpO1IN=l时为次低阶模,记Lp11..-?等.为了说明光纤传输模式总数,莸们引人一个重要参数V来表示光纤的归一化频率,其表达式为:一竿n,i五.其中△=丑,a是^●r¨光芯半径,△是相对折射率差,是传输波长.对普通理想单包层指数分布光纤61山衷通佰技术1994年第l期由其折射分布函数式=.同模型的光纤当n=l时为三角型,.=2时为抛物型,n=..时为阶跃型.图3所示:这种匪3指数型光奸芯部的折射分帮光纤是单模还是多模则要取决于半径A和相对折射率差△的尢小.可见归一化频率V因其既包含了光纤的结构参数(a,△, n)又包括了传输波长,所以V值的大小将决定一根光纤能传输多少模.已证明传导模的总数近似于^击?号}对于渐变型(∞光纤,d=2时,则Ⅳ=-7;11对于阶跃型(SD光纤口一..,=÷I可见,GI型光纤的传输模式只有SI型的一半.光纤传输模式愈少,带宽愈宽,模式色散也愈小,传输距离也愈长.=,多横光纤和单模光纤前面我们已讲了模式的概念,顾名思义,多模光纤就是一种能够承载多个模式的光纤.多模光纤有8I型和GI型等,外径均为125um,内径(芯径)均为40～lOOttm. 对于SI翌光纤,当它做多模传输时.模次愈高,其光射线与界面夹角Qt愈大(看图(2) a).反之,模次愈低.射线路径愈趋向于光纤轴线.因此,沿光纤轴向传输相同距离,高次模比低次模需要的时间长,出现时廷差.发生模式色散.模式色散降低了光纤传输特性,使事宽变窄.G【型多模光纤是在sI型多模光纤基础上加以改善使光纤芯子的折射率分布系统数n一2这样,高次模路径长,由于其经过折射率小的区域,则传输速度快;低次模是近轴传输,路径短,经过折射率大的区域,故传输速度慢;从而使各次模的速度接近相同,减少了时延差,限制了模式的色散.(图2 (b)所示).单模光纤只允许基模传输,也就是说它只传输一个模LOI(HEl1)因此,单模光纤不存在模闻时延差,也就不存在模式色散,具有比多模光纤大得多的带宽,这时高码速的传输将是非常重要的.目前普通应用的是波长为1.81um零色散型单模光纤.由于光纤在波长1.55um处衰减最小,国内外又设法研制了1.55啪零色散光纤,由于1.5Sum处衰减最小,从而实现了长距离大容量的光纤通信.应明确的是,单模光纤和多模光纤只是一个相对概念.判断一根光纤是不是单模,除了它自身的结构参数外,还与它的工作波长等有关.下厦我们就分别讨论一下光纤的一些重要参数.三,单模光纤的主要参数.1.单模光纤的模场直径..模场直径是单模光纤的一个重要参数.因为单模光纤传输的光能不是完全集中在纤芯中,而是有相当部分在包层中传输,所以不用纤芯的几何R寸作为单模光纤的参数,而是采用所谓模场直径这一参量来描述单模光纤传输光能集中的程度.它直接关系到单模光纤耦合接续的效果.象单模光纤的连接损耗以及截止波长,色散系数等都与模场直径有关模场直径就是基模光斑的大小.由于基模光山东通信技术}l∞4年第l期斑没有明显边界又称之为模场.根据单模光纤数值孔径的均方根值,可定义模场,,直径一,式中NA是数值孔径.数值孔径就是指光纤的集光能力(图(2)(a)中的中0角),使光线在交界面上能得到全内反射时最大人射角中O的正弦值.即:扎=嘞=,√2△,凡是人射到园锥中O以内的光线都可以满足全内反射条件.为了计算方便,一般用最大理论数值孔径MAt的一半来代替均方根值,那么就可以对光纤的模场直径作一个大致估葬.,i1'公式:'倒:①L3Jm单模光纤,△=0.36,州一目√硒一0.123,捌扛盥?丽告5@J.55肿焯摸光纤,△=0.,嘲毫0.184,一鼍?_7_ssm在工程应用中,模场直径的测试是很重要的.待接续的两根光纤的模场直径是否一致,对接续效果有很大影响,模场直径是一个重要量.2.单模光纤的截止波长.截止波长c是保证单模传输的必要条件.判断一根光纤是不是单模光纤,只要比较一下它的工作波长与截止波长c的大小就可以.若>^c,则该光纤是单模光纤.其只能传输基模f若<c,就是不单模光纤,此光纤除了基模外还能传输其它高阶模.由光纤的归一化频率=—孚叩,/i可知,适当减少光纤的半径和△值,V值也随之城少到该光纤次低阶模的归一化截止频率Vc时,光纤就只能传输LpO埔了.此时,=一—,可及单模光纤的截止波长:一等.也就是说,只要光纤工作波长ZXct,它就进行单模工作.实际上,V.2=205,/十上等堡,只要.一..,就可及到Vc=2.405,那么单模光纤的传输条件应为V<2.405.3.单模光纤的衰减.衰减常数是指:单位长度光纤所引起光功率的分贝数的变化.表达式为:a={(鲁)衰减常数值可以说明光纤损耗程光^射功章光出}『吉功率度.它对评价光纤的质量以及确定光信号再生中继距离起着决定性作用.光纤产生衰减主要有三种原因:①本征损耗,这是光纤材料所固有的一种损耗石英光纤产生本征损耗主要是sio2的固有吸收和玻璃体中的瑞利散射所引起的.这种损耗时可见光(0.3～n7 tLm)和近红外区(0-8～1.6mr)波长影响不大因此石英光纤通信系统的工作波长选在0.85tun,1.3lum,1.55tun区内,这就是我们常说的三个窗口.,②制造损耗,是光纤在提纯,熔炼和拉丝等工艺过程中产生的.这种损耗随着制造工艺的不断完善已很小.63《山东通信技术》1994年第l期⑧附加损耗,是光纤受到弯曲和微弯曲所产生的.当光纤弯曲曲率半径小到一定程度时,芯子内光射线不满足全反射条件,使光功率由传输模式转为辐射模式造成了损耗因此在成缆,敷设,接续等过程中都应严格按规定操作.4.单模光纤的色散.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.光纤色散是指传输信号频率不同,其传输速度不同,从而引起信号发生畸变,即光纤的色散是群速不同,传输信号达到终端有时延.如图4所示:单模光纤的色散主要是材料色散螽和波导色散.材料色散会引起折射指数随传输光波长而变化,使光波传藉不同,脉冲展宽波导色散是指光纤.模式的相移常数随频率化,造成脉冲屣宽. 色散限制了光纤的传输带宽或容量.为了减小色散,通常尽可能选用有很窄频谱线的激光器做光源,同时选工作波长在色散最小区域.四,多模光纤.多模光纤可以传输多个分离的模式,其结构特点是,纤芯直径大于光波长.多模光纤模数可由近似公式求出.例l,有一多模光颖,名5Omm,△:0.01,nl—1.46,则数值孔径NA=n√一0.26,当波长为1.31mm0一时,归一化频率:=一:??√2△=25,由传导模总数近似公式者?导,.:时,:俨:寺x25156(个),(G光纤),当n一..时,^:寺=÷×25:312(个)(型).可以看出,尽管GI光纤与8I光纤它们有相同的V,△等值,但传输模式总数却不同.SI型多模光纤传导模数比GI型的模数多一倍,且模间对延差太大,传输带宽窄.不能满足光纤通信高码速传输要求.所以Is光纤正逐渐被淘汰.GI型多模光纤的折射率分布呈抛物型,减少了模问时延差,可使带宽提高大约商个数量级,达到1000 MHZ以上.G1型多模光纤虽比不上单模光纤,但它的芯经比单模光纤的大.对接头和连接器的要求都不高,使用起来方便,一般情况下,GI型多模光纤对于四次群以下的通信系统还是比较实用的.1.多模光纤的衰减常数多模光纤的衰减常数:.=器静(d)式中P(z)为沿光纤上距离为Z处的光功率,P(0)是z=O处的光功率,因为多模光纤衰减常数是各种模式衰减统计的平均结果,此结果大于基模衰减.所以通常多模光纤的衰减常数比单模的减衰常数大些2.多模光纤的带宽带宽是多模光纤的重要传输参数.我们可以把光纤看作一个低通滤波器,当高频分量通过时,就会受到严重衰减.而一个很窄的光脉冲包含着丰富的高频分量,它通过一段多模光纤后.由于窄脉冲陡峭的前后沿被减缓,光脉冲被展宽,影响了邻近码的识别,从而限制了传输码速.如果用,:分别表示入射光和出G6潮黼《山东通信技术~1994年第l期射光的半幅值宽度,(看圈5),用△t表示三]冒5脎:.展宽示意图多模光纤的总色散.则△一△m+△tn+△tW,多模光纤的模内时延和模间时延差总值,;=j二,,总带宽应为半=筹一(推导略).可见.光纤的时延差愈大,带宽就愈窄.3.多模光纤的数值孔径前面已经介绍过光纤的数值孔径NA的概念,即^一一一√-二.数值孔径是多模光纤的重要参数之一,其NA值越太,光纤越易与光源或其它光纤辆合但NA过太又会给工艺制造和光纤的鸯输损耗带来不利,一般多模梯度光纤的NA≈0.20,单模光纤的NA一0.11.光纤的数值孔径表明着光纤集光本领,因此在研制多模光纤时,必须注意.脒上参数外,多模光纤还应讨论其平衡模分布.在多模光纤中可激励成百上千个模,但由于耦台条件的不同,各模一开始所携带的能量就可能不同,在传输过程中各模的损耗也互不相同.经过很长距离之后,低阶摸将携带相对大的功率,各高阶模携带的相对功率就小些,达到平衡模分布时各个模式都按一定比例携带和传输功率.我们定义,当光纤输出端场图分布与光纤的长度基本无关时,就可以认为已经达到平衡模分布一般情况下光纤越均匀,放嚣越平直,则达到平衡分布所需要的长度就越长平衡模分布是多模光纤衰减常的定义公式成立条件,如果任其自然平衡,由于种种原因,光纤达到平衡模分布长度可能很长,甚至传到尾端还建立不起来,从而无法测量衰泫特性.为了解决这个问题,常在光纤中注人端采取了消除包层模,滤模,扰模等措施.总而言之,多模光纤和单模光纤都是当今和未来通信中用于数字网种非常理想的传输媒质,它们的优点是:频带宽,容量大,损耗小,中继距离长,重量轻, 抗电磁干扰能力强.保密性好成本低等等.因此,在国内外通信网中,光纤通信发展非常迅速,光纤通信的应用已进人邮电,电力,铁追,化工,石油,钢铁,公路交通,广播电视,军事等各个通信镀域.光颖通信是信息社会重矍的物质基础之～.随着光纤通信的发展,将会引起许多新课题,形成许多新科学,促进各领域的发展及社会的发展.我们很有必要学习,研究光纤的各种特性,应用及各方面,^,'¨牦,卜絮。

光纤的分类和比较包括各种单模光纤的色散和衰减特性

模间色散图
单模光纤中旳色散
在单模光纤中不存在多种模式，也就没有模间色散，但脉冲展宽现象依然存在，这是因为光脉冲信号有一定旳频谱宽度（光脉冲有不同旳频率成份），不同工作波长旳光信号在光纤中将有不同旳传播群速度，造成光脉冲旳展宽。这种现象叫群速度色散，它一般不大于模间色散。其主要由材料色散和波导色散所决定。
色散补偿技术
目前，发展比较成熟旳、主流旳色散补偿技术主要是采用色散补偿光纤（DCF）来进行色散补偿。其主要技术是在每个（或几种）光纤段旳输入或输出端经过放置DCF色散补偿模块（DCM），周期性地使光纤链路上累积旳色散接近零，从而能够使单信道1550nm外调制光纤干线旳色散得到很好旳补偿。
形成光纤损耗旳原因有诸多，有来自光纤本身旳损耗（吸收损耗、散射损耗），也有光纤与光源旳耦合损耗以及光纤之间旳连接损耗，还有光纤弯曲损耗以及纤芯与包层中旳损耗。
光纤本身损耗旳分类
本征吸收损耗：光波经过光纤材料时旳损耗
吸收损耗散射损耗
杂质吸收损耗：材料旳不纯净以及工艺旳不完善造成旳附加吸收损耗（过渡金属离子吸收以及水旳氢氧根离子旳吸收）
所以，对于超长距离旳光纤传播，既有旳色散补偿技术能够相对很好旳处理色散问题，对于超远距离旳传播，其首要考虑旳原因是光纤旳衰减特征。
4 对多种单模光纤特征旳比较
四种单模光纤
G652 G653 G654 G655
G652
1 ）G652光纤又被称为原则单模光纤，这种光纤是目前应用在 1310nm窗口旳最广泛旳零色散波长旳单模光纤。
色散系数D
G652
G652色散曲线图：
18 0
1310nm 1550nm 波长λ
色散系数D旳单位： ps/nm.km

通信光纤型号

性能
要求值
工作波长 (nm)
1310/1550
损耗系数 (dB/km)
色散系数 (ps/nm·km)
1310nm 1550nm 1310nm 1550nm
≤0.36 ≤0.22
0 +18
G.652光纤亚类
G.652A：仅能支持2.5Gbit/s及其以下速率的系统（对光纤的PMD系数不作要求）；
）和DCF（色散补偿光纤）等。
1. G.652光纤
G.652光纤又称为常规单模光纤或标准单模光纤（STD SMF），被广泛应用于数据通信和图像传输。在1310nm窗口处有零色散。在 1550nm 窗口处有较大的色散，达 +18ps/nm·km，不利于高速率大容量系统。
2.5 通信光纤型号
根据 ITU-T 规定，目前常用的单模光纤包
括 G.652光纤（常规单模光纤）、G.653（色散位
移光
纤）、G.654（1550nm低损耗光纤）、
G.655（非零色散位移光纤）、 G.656 （色散平
坦光纤）、 G.657光纤（弯曲损耗不敏感单模光纤
G.652B：可以支持10Gbit/s速率的系统（要求光纤的PMD 系数小于0.5ps/km1/2）；
G.652C：基本属性与 G.652A相同，但在1550nm的损耗系数更低，而且消除了1380nm附近的水吸收峰，可以工作在整个1360~1530nm波段；
G.652D：属性与G.652B光纤基本相同，而损耗性能与 G.652C光纤相同，即系统可以工作在1360~1530nm波段。
性
工作波长

光纤的损耗3-3单模光纤的色散及单模光纤的分类 [兼容模式]

B 1 p C LB f
忽略第二项，则偏振模色散导致的脉冲展宽为：
2. 偏振模色散的统计特性由于光纤在制造过程中的不确定性因素，光纤的不圆程度、内应力的不均匀程度都是随机变化的。这导致光纤的双折射参量或拍长LB并不是一个常量，而是一个随光纤位置而变化的随机量。
-10 -20
G.656 色散平坦光纤使波导色散曲线具有更大的斜率，或其负色散值随波长变化更陡，使得在1.3~1.6um波长范围内波导色散与材料总色散色散都可较好的相抵消。因此在较大的范围内保普通光纤持相近的色散值，适用于波分复用系统色散平坦光纤
30 20 10 1.1 1.2 1.3 1.4 ( m m) 1.5 1.6 1.7
§3.3 单模光纤的色散及单模光纤的分类
一、色散系数单模光纤中只有主模式LP01模传输，总色散由材料色散、波导色散、折射率剖面色散和偏振模色散构成。前三项属于波长色散，后一项为模式色散。在光纤的双折射参量很小时，波长色散是主要的。定义单模光纤的波长色散D()：
D Dm DW
定义色散斜率：
D ( ) D (0 ) d D ( ) S 0 lim 0 0 d
即零色散波长附近总色散系数随变化曲线的斜率，则零色散区内的色散系数为：
D( ) ( 0 ) S 0 S 0
将设可以将光信号看成是对角频率为0，相位常数为0的单色光调制的结果，则有：
G.655非零色散光纤: 是一种改进的色散移位光纤。在密集波分复用(WDM)系统中，当使用波长1.55 μm色散为零的色散移位光纤时，由于复用信道多，信道间隔小，出现了一种称为四波混频的非线性效应。这种效应是由两个或三个波长的传输光混合而产生的有害的频率分量，它使信道间相互干扰。如果色散为零，四波混频的干扰十分严重，如果有微量色散，四波混频反而减小。为消除这种效应，科学家开始研究了非零色散光纤。这种光纤的特点是有效面积较大，零色散波长不在1.55 μm，而在1.525 μm或 1.585 μm。这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使用，实现了超大容量超长距离的通信。

单模光纤的截止波长、模式色散和模式噪声

作者：韦乐平
出版物刊名：电信科学
页码： 14-19页
主题词：截止波长;单模光纤;模式噪声;内包层;折射率分布;上限值;波长范围;中心波长;微弯损耗;实用计算公式
摘要：本文讨论了单模光纤截止波长的四种不同定义及截止波长与模式色散和模式噪声的关系,指出单模光纤有效截止波长的上限主要受模式噪声的限制,并跟光纤剖面折射率分布有关。

文中还给出了一个实用计算公式,可用来计算双窗口运用的单模光纤的有效截止波长上限值。

计算结果表明,匹配包层(M.C.)光纤的上限是1305nm,而内包层下陷(D.C.)光纤的上限可达1330nm～1340 nm。

在1.2Gb/s单模光纤系统上的试验结果证明,我们所确立的有效截止波长上限值是合理的,具有足够的富余度。