第三章光纤传输特性
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第三章光纤传输特性
光纤损耗的表示方法 光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减：
可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：
PoutPineL
其数中为L0.为2 d光B纤/km长。度。标准1L0单lo模gP光Poinu纤t (SdMBF/)k在m1550 nm的损耗系
第三章光纤传输特性
光纤损耗的种类
非线性损伤
信号畸变 乘性噪声
第三章光纤传输特性
光纤中信号的损伤
线性损伤
加性噪声 多模光纤中可存在模式噪声，单模光纤中噪声可忽略不计
损耗 外部串扰，可忽略不计 色散造成的信号畸变 内部串扰，来源于光纤的非线性
非线性损伤
光纤非线性造成的信号畸变 乘性噪声，可忽略不计
第三章光纤传输特性
波长色散
材料色散 波导色散
单模光纤 中依然存在
第三章光纤传输特性
多模色散
模式色散影响机理
信号光入射进光纤，可激励起多种模式（理论上无穷多） 多模光纤中若干携带光信号能量的模式均可传播，且速度各
不相同 时延差导致信号脉冲展宽，影响光纤的带宽距离积
模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散 显然，多模光纤中能够传播的模式越多，模式色散就
氟化物光纤，本征吸收区波长较石英光纤更长一些 最低损耗窗口在2550nm附近 最低损耗低达 0.01~0.001dB/km
难度
超纯原料 微晶体化
第三章光纤传输特性
光纤损耗的测量
测量方法：剪断法、插入损耗法、背向散射法 剪断法、插入损耗法
偏置电路
光源
P1
被测光纤
P2
注入装置
检测器
放大器
吸收损耗
本征吸收 杂质吸收
过渡金属离子 氢氧根离子
散射损耗
瑞利散射 米氏散射
弯曲损耗
宏弯和微弯
本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
第三章光纤传输特性
dB/km
光纤的损耗谱
100 50
10 损5 耗
1 0.5
0.1 0.05
瑞利散射 紫外吸收
实验值
OH-吸收 波导缺陷
0.01 0.8
不同频率的电磁波以不同的相速度和群速度在介质中传 播的物理现象
色散对光信号包络传播的影响
包络展宽
光纤通信中色散的含义
一切导致因速度差造成光信号包络展宽的因素均被称为 色散
第三章光纤传输特性
光纤色散对通信的影响
影响链：
色散导致传输的光脉冲展宽 光脉冲展宽导致码间串扰 码间串扰导致系统误码率增大
光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的
传播速率不完全相同，即 x≠y，这将百度文库致偏振模色散
通信系统需要维持一个足够低的误码率，为此需要降 低码间串扰的程度，可以
减小信息速率，增大光脉冲间隔 减少传输距离，降低脉冲展宽程度
归纳：
光纤的色散直接影响其传输带宽距离积 色散越大，带宽距离积越小
第三章光纤传输特性
色散对通信系统的影响
第三章光纤传输特性
光纤色散的种类
模式色散
多模色散 偏振模色散
3.2 光纤的损耗特性
第三章光纤传输特性
损耗 即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。
第三章光纤传输特性
问题
如何表示光纤损耗？ 光纤损耗的种类及其产生原因是什么？ 如何才能降低光纤的损耗？ 光纤的微弯损耗和宏弯损耗机理是什么？ 光纤在各工作波长段的典型损耗特性如何？ 光纤使用过程中损耗会增大吗？为什么？ 单模光纤的损耗大还是多模光纤的损耗大？为什么？ 光纤的损耗能够更低吗？如何实现？ 光纤的损耗如何测量？
第三章光纤传输特性
使用过程中光纤的损耗变化
变化趋势
损耗增大
原因
热胀冷缩 油膏特性变差 光纤受水分侵蚀
OH-吸收损耗增大 光纤分子缺陷增多
第三章光纤传输特性
单模与多模光纤损耗对比
单模光纤损耗要小一些 原因包括以下几点：
光能量主要在纤芯中传输 纤芯所需原料少，更易保证其纯度 纤芯工艺要求更高，折射率不均匀性减
1.0
1.2 1.4
第波三章长光纤λ传(u输m特)性
红外吸收 1.6 1.8
微弯损耗和宏弯损耗机理
宏弯损耗
曲率半径比光纤直径大得多的宏弯曲
微弯损耗
光纤成缆时产生，场分沿布轴向的随机性弯曲
Cladding
<
Core
> c
消逝场
第三章光纤传输特性
R
降低光纤损耗的方法
工作波长选择
选择在低损耗窗口
小 包层更厚，OH-离子更难入侵到纤芯中 纤芯小，弯曲损耗更低
损耗 /(dBk·m －1)
10
SIF
SMF
8
6 GIF
4
2
0 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 波长 /m
(a)
第三章光纤传输特性
超低损耗光纤
瑞利损耗与波长的关系 为什么工作波长不能选择得更长一些？ 卤化物光纤
第三章光纤传输特性
电平测量
后向散射法
利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤 损耗系数的方法。
光 学系 统
耦 合器 件
光源
光 学系 统
光 学系 统
被 测光 纤
光 检测 器
放 大器 信 号处 理
示 波器
数 据 处第理 系三统章光纤传输特性
3.3 光纤的色散
第三章光纤传输特性
色散的含义
色散：
第三章 光纤的传输特性
第三章光纤传输特性
本章内容
光纤中信号的劣化 光纤的损耗特性 光纤的色散特性 单模光纤的非线性 光纤的制造工艺
第三章光纤传输特性
3.1 光纤中信号的劣化
第三章光纤传输特性
信号的损伤
任何传输信道均会对信号造成损伤
线性损伤
加性噪声 损耗 外部串扰 信道内部串扰
越严重，其带宽距离积就越小 消除方法：单模传输
第三章光纤传输特性
单模光纤的双折射
单模光纤的实际工作模式
LP01x 模和 LP01y模
它们是空间正交的两个模，理想状态完全简并，即 xy
由于以下原因，光纤存在双折射现象
几何原因：例如光纤芯不圆，其特例椭圆光纤 应力原因：光纤横向受应力影响，导致各向异性 外加电磁场影响
超纯原料
降低过渡金属离子浓度
生产工艺
减小不均匀性 减小OH-离子的引入
光纤保护
第三章光纤传输特性
光纤的典型损耗特性
850nm
3dB/km
1310nm
0.3~0.4dB/km(典型值为0.35dB/km)
1550nm
0.3dB/km以下(典型值为0.2dB/km） (理论极限值0.154dB/km)
光纤损耗的表示方法 光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减：
可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：
PoutPineL
其数中为L0.为2 d光B纤/km长。度。标准1L0单lo模gP光Poinu纤t (SdMBF/)k在m1550 nm的损耗系
第三章光纤传输特性
光纤损耗的种类
非线性损伤
信号畸变 乘性噪声
第三章光纤传输特性
光纤中信号的损伤
线性损伤
加性噪声 多模光纤中可存在模式噪声，单模光纤中噪声可忽略不计
损耗 外部串扰，可忽略不计 色散造成的信号畸变 内部串扰，来源于光纤的非线性
非线性损伤
光纤非线性造成的信号畸变 乘性噪声，可忽略不计
第三章光纤传输特性
波长色散
材料色散 波导色散
单模光纤 中依然存在
第三章光纤传输特性
多模色散
模式色散影响机理
信号光入射进光纤，可激励起多种模式（理论上无穷多） 多模光纤中若干携带光信号能量的模式均可传播，且速度各
不相同 时延差导致信号脉冲展宽，影响光纤的带宽距离积
模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散 显然，多模光纤中能够传播的模式越多，模式色散就
氟化物光纤，本征吸收区波长较石英光纤更长一些 最低损耗窗口在2550nm附近 最低损耗低达 0.01~0.001dB/km
难度
超纯原料 微晶体化
第三章光纤传输特性
光纤损耗的测量
测量方法：剪断法、插入损耗法、背向散射法 剪断法、插入损耗法
偏置电路
光源
P1
被测光纤
P2
注入装置
检测器
放大器
吸收损耗
本征吸收 杂质吸收
过渡金属离子 氢氧根离子
散射损耗
瑞利散射 米氏散射
弯曲损耗
宏弯和微弯
本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
第三章光纤传输特性
dB/km
光纤的损耗谱
100 50
10 损5 耗
1 0.5
0.1 0.05
瑞利散射 紫外吸收
实验值
OH-吸收 波导缺陷
0.01 0.8
不同频率的电磁波以不同的相速度和群速度在介质中传 播的物理现象
色散对光信号包络传播的影响
包络展宽
光纤通信中色散的含义
一切导致因速度差造成光信号包络展宽的因素均被称为 色散
第三章光纤传输特性
光纤色散对通信的影响
影响链：
色散导致传输的光脉冲展宽 光脉冲展宽导致码间串扰 码间串扰导致系统误码率增大
光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的
传播速率不完全相同，即 x≠y，这将百度文库致偏振模色散
通信系统需要维持一个足够低的误码率，为此需要降 低码间串扰的程度，可以
减小信息速率，增大光脉冲间隔 减少传输距离，降低脉冲展宽程度
归纳：
光纤的色散直接影响其传输带宽距离积 色散越大，带宽距离积越小
第三章光纤传输特性
色散对通信系统的影响
第三章光纤传输特性
光纤色散的种类
模式色散
多模色散 偏振模色散
3.2 光纤的损耗特性
第三章光纤传输特性
损耗 即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。
第三章光纤传输特性
问题
如何表示光纤损耗？ 光纤损耗的种类及其产生原因是什么？ 如何才能降低光纤的损耗？ 光纤的微弯损耗和宏弯损耗机理是什么？ 光纤在各工作波长段的典型损耗特性如何？ 光纤使用过程中损耗会增大吗？为什么？ 单模光纤的损耗大还是多模光纤的损耗大？为什么？ 光纤的损耗能够更低吗？如何实现？ 光纤的损耗如何测量？
第三章光纤传输特性
使用过程中光纤的损耗变化
变化趋势
损耗增大
原因
热胀冷缩 油膏特性变差 光纤受水分侵蚀
OH-吸收损耗增大 光纤分子缺陷增多
第三章光纤传输特性
单模与多模光纤损耗对比
单模光纤损耗要小一些 原因包括以下几点：
光能量主要在纤芯中传输 纤芯所需原料少，更易保证其纯度 纤芯工艺要求更高，折射率不均匀性减
1.0
1.2 1.4
第波三章长光纤λ传(u输m特)性
红外吸收 1.6 1.8
微弯损耗和宏弯损耗机理
宏弯损耗
曲率半径比光纤直径大得多的宏弯曲
微弯损耗
光纤成缆时产生，场分沿布轴向的随机性弯曲
Cladding
<
Core
> c
消逝场
第三章光纤传输特性
R
降低光纤损耗的方法
工作波长选择
选择在低损耗窗口
小 包层更厚，OH-离子更难入侵到纤芯中 纤芯小，弯曲损耗更低
损耗 /(dBk·m －1)
10
SIF
SMF
8
6 GIF
4
2
0 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 波长 /m
(a)
第三章光纤传输特性
超低损耗光纤
瑞利损耗与波长的关系 为什么工作波长不能选择得更长一些？ 卤化物光纤
第三章光纤传输特性
电平测量
后向散射法
利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤 损耗系数的方法。
光 学系 统
耦 合器 件
光源
光 学系 统
光 学系 统
被 测光 纤
光 检测 器
放 大器 信 号处 理
示 波器
数 据 处第理 系三统章光纤传输特性
3.3 光纤的色散
第三章光纤传输特性
色散的含义
色散：
第三章 光纤的传输特性
第三章光纤传输特性
本章内容
光纤中信号的劣化 光纤的损耗特性 光纤的色散特性 单模光纤的非线性 光纤的制造工艺
第三章光纤传输特性
3.1 光纤中信号的劣化
第三章光纤传输特性
信号的损伤
任何传输信道均会对信号造成损伤
线性损伤
加性噪声 损耗 外部串扰 信道内部串扰
越严重，其带宽距离积就越小 消除方法：单模传输
第三章光纤传输特性
单模光纤的双折射
单模光纤的实际工作模式
LP01x 模和 LP01y模
它们是空间正交的两个模，理想状态完全简并，即 xy
由于以下原因，光纤存在双折射现象
几何原因：例如光纤芯不圆，其特例椭圆光纤 应力原因：光纤横向受应力影响，导致各向异性 外加电磁场影响
超纯原料
降低过渡金属离子浓度
生产工艺
减小不均匀性 减小OH-离子的引入
光纤保护
第三章光纤传输特性
光纤的典型损耗特性
850nm
3dB/km
1310nm
0.3~0.4dB/km(典型值为0.35dB/km)
1550nm
0.3dB/km以下(典型值为0.2dB/km） (理论极限值0.154dB/km)