第三章光纤传输特性
第03章 光波系统中光信号的传输特性
23
(2) β3的影响。 当β3≠0，即高阶色散的影响不能忽略时， 经严格分析发现，高斯脉冲在传输过程中不 再保持原高斯脉冲形状，而是形成了一种振 荡 结 构 的 尾 部 。 这 种 脉 冲 就 不 能 用 T0 或 TFWHM 来确切描述其宽度，而通常用均方根 脉宽来描述，它定义为 σ=[<T2>-<T>2]1/2 角括号<>代表对强度分布的平均。
高斯形光脉冲的脉宽与谱宽光波通信系统中大都采用半导体激光器作为光源一般它产生的光脉冲信号是高斯形的而且均伴随不同程度的啁瞅分量可写为exp022100ttjcata?11啁啾?是通信技术有关编码脉冲技术中的一种术语是指对脉冲进行编码时其载频在脉冲持续时间内线性地增加当将脉冲变到音频地会发出一种声音听起来像鸟叫的啁啾声故名啁啾
20
图3-2啁啾高斯脉冲展宽因子T1／T0随传输距离z／ LD的变化曲线。(LD=T02/|β2|称为色散长度)。
21
对非啁啾脉冲，C=O，脉宽随 [1+(z／LD)2]1/2 成比例展宽，在z=LD处展宽为初始输入脉宽的√2 倍。 对C≠0的啁啾脉冲，在传输过程中，有可能展宽。 亦有可能压窄，这取决于β2与C是同号还是异号。
33
为防止色散展宽导致相邻脉冲重叠，展宽脉冲 应限制在所分配的比特时隙(TB)内，而TB =1／B， B为比特率，根据这一准则可求得σ与B的关系。 通常规定: σ≤TB／4或4Bσ≤1，这样至少有95％ 的脉冲能量被限制在比特时隙内。 因此极限比特率为 B≤1／(4σ) 对于很窄的输入脉冲，σ≈σD=|D|Lσλ，则有 B≤l／(4L| D|σλ)
3
3A t
3
0
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。
光纤技术及应用第三章
Optical Fiber Technology and Its Application
2021/7/22
.
1
第3章
光
纤
Optic fiber
2021/7/22
.
2
引言
1、光纤（optic fiber）----是指能够传导光波的圆柱形介质波 导。它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并引 导光波沿着光纤轴线方向传播。
本章介绍光纤的结构与分类、光波在光纤中的传输原理。 第四章讲光纤的传输特性（损耗、色散、偏振、非线性效应）
2021/7/22
.
6
3、光纤的结构、分类 纤芯（芯层）core：其折射率较高 , （用来导光）.
包层coating：其折射率较低，提供在纤芯内发生光全反射的条 件.
保护层jacket——保护光纤不受外界微变应力的作用、防水等作 用。 光纤横截面半径为几十至几百微米，长度从几十厘米到 上千千米。
所以梯度光纤中导模光线的 最大延迟时间为：
ma xmin2nc12
.
25
梯度光纤中导模光线的最大延迟 时间
ma xmin2nc12
与阶跃光纤的最大延迟时间相比较:
max12n c1n1n 2n2n c1
平方律光纤的色散小很多。 （3）梯度光纤的数值孔径 采用近似方法导出：
.
26
将光纤芯层分成许多薄层：每一层内，折射率可近似看成常 数，而且折射率沿径向向外逐层递减
2021/7/22
.
33
.
34
3.2 光纤的波动光学理论
光纤属于介质圆波导，分析导光原理很复杂， 可用两种理论进行：
w用波动理论讨论导光原理(复杂、精确) w采用射线理论分析导光原理(简单、近似)
【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。
《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历
《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历第一章：光纤通信概述1.1 光纤通信的定义与发展历程1.2 光纤通信的优势与局限性1.3 光纤通信的基本原理1.4 光纤通信的应用领域第二章：光纤与光纤器件2.1 光纤的制备与分类2.2 光纤的传输特性2.3 光纤的连接与耦合技术2.4 光纤通信系统中的关键器件第三章：光发送与接收技术3.1 光发送器的工作原理与分类3.2 光发射机的性能指标3.3 光接收器的工作原理与分类3.4 光接收机的性能指标第四章：光纤传输系统设计4.1 光纤传输系统的基本组成4.2 光纤传输损耗与色散4.3 光纤传输系统的性能评估4.4 光纤传输系统的设计步骤与方法第五章：光纤通信网络与技术5.2 光纤传输网（OTN）5.3 光纤接入网（FTTx）5.4 光纤交换技术与光互联网第六章：光纤通信系统的测试与维护6.1 光纤通信系统性能测试指标6.2 光纤通信系统测试设备与方法6.3 光纤通信系统维护与管理6.4 故障诊断与处理方法第七章：光纤通信技术在特定领域的应用7.1 光纤通信在数据通信中的应用7.2 光纤通信在电信网络中的应用7.3 光纤通信在有线电视网络中的应用7.4 光纤通信在其他领域的应用案例第八章：光纤通信技术的未来发展8.1 新型光纤材料与技术8.2 光子集成电路与光电子技术8.3 光纤通信网络的智能化与自动化8.4 量子光纤通信技术的发展第九章：光纤通信技术的工程实践9.1 光纤通信系统的设计与实施9.2 光纤通信设备的安装与调试9.4 工程案例分析与实践第十章：课程总结与复习10.1 光纤通信技术的关键概念与技术10.2 光纤通信系统的性能评估与优化10.3 光纤通信技术在现代通信网络中的应用10.4 课程复习与考试要点重点和难点解析一、光纤通信的定义与发展历程重点：光纤通信的基本原理、优势与局限性难点：光纤通信技术的发展历程及其对现代通信的影响二、光纤与光纤器件重点：光纤的制备与分类、光纤的传输特性难点：光纤的连接与耦合技术、光纤通信系统中的关键器件的工作原理与性能三、光发送与接收技术重点：光发送器的工作原理与分类、光接收器的工作原理与分类难点：光发射机的性能指标、光接收机的性能指标四、光纤传输系统设计重点：光纤传输系统的基本组成、光纤传输损耗与色散难点：光纤传输系统的性能评估方法、光纤传输系统的设计步骤与方法五、光纤通信网络与技术重点：光纤通信网络的分类与结构、光纤传输网（OTN）、光纤接入网（FTTx）、光纤交换技术与光互联网难点：光纤通信网络的设计与实施、光纤通信设备的安装与调试、光纤通信网络的运营与管理六、光纤通信系统的测试与维护重点：光纤通信系统性能测试指标、光纤通信系统测试设备与方法难点：光纤通信系统维护与管理、故障诊断与处理方法七、光纤通信技术在特定领域的应用重点：光纤通信在数据通信、电信网络、有线电视网络等领域的应用难点：光纤通信在其他领域的应用案例分析八、光纤通信技术的未来发展重点：新型光纤材料与技术、光子集成电路与光电子技术难点：光纤通信网络的智能化与自动化、量子光纤通信技术的发展九、光纤通信技术的工程实践重点：光纤通信系统的设计与实施、光纤通信设备的安装与调试难点：光纤通信网络的运营与管理、工程案例分析与实践十、课程总结与复习重点：光纤通信技术的关键概念与技术、光纤通信系统的性能评估与优化难点：光纤通信技术在现代通信网络中的应用、课程复习与考试要点全文总结和概括：本课程《光纤通信技术》涵盖了光纤通信的基本概念、技术原理、系统设计、网络应用以及未来发展等多个方面。
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。
光纤通信习题
第一章 概述1、光纤通信的波谱在1.67×1014Hz~3.75×1014Hz 之间(波长在0.8μm ~1.8μm 之间)，属红外波段，将0.8 μm ~0.9μm 称为短波长，1.0μm ~1.8μm 称为长波长，2.0μm 以上称为超长波长。
2、信道容量与信道带宽之间的关系，香农—哈特利(Shannon-Hartley )定理：C 为信道容量(单位为比特/秒，bps )，B 为信道带宽(赫兹，Hz )，SNR 为信噪比。
3、要实现受激发射需要两个条件：（一）粒子数反转，可通过向半导体激光二极管注入正向电流的方式来实现粒子数反转；（二）光子谐振腔，并在谐振腔里建立起确定的振荡。
4、最大比特率的计算式： 光纤色散是比特率受限的主要原因。
5、仅考虑光纤损耗，光信号沿光纤传输的最大距离 L6、光纤通信系统的通信容量用比特率-距离积BL 来表示，单位为(Mbit/s )·km ；也可以用带宽-距离积来表示，单位是 MHz ·km 。
它是系统的一个极限参数。
一个系统设计完成以后，通信容量则是一个定值。
其意义是：数据速率和传输距离可以变化，但必须满足两者的乘积为常数。
5、光脉冲传输距离 L 后的展宽应不超过系统比特周期的四分之一。
6、渐变折射率光纤大大降低了模式色散，提高了通信容量7、提高通信容量的主要途径是减小信道间距、扩展带宽 以及采用混合复用技术。
第二章 光纤和光缆1、光纤直径尺寸2、阶跃型光纤SIF 和渐变型光纤GIF ；多模光纤MMF 单模光纤SMF 。
3、折射率为幂律分布的（渐变）多模光纤中传导模的数目为4、相对折射率差：∆ = (n 12 - n 22)/(2n 12) ≈ (n 1 - n 2)/n 15、要使光线全部限制在渐变光纤纤芯中传播，入射角φ 应满足下式：（证明或计算！）6、相位一致条件（证明！） 2k 0n 1a cos θ - δ = N π7、例1：已知某光纤参数如下：a = 4.1 μm ，∆ = 0.003，纤芯折射率n 1 = 1.48，试问此光纤能否传输波长λ = 1.31 μm 的TE 01和TM 01模？如要使TE 01、TM 01模能够传输，光波长应做怎样的调整？（PPT ）第三章 光纤的传输特性 222V N +=αα221sin c n n -<φ)1(2SNR Blog C +=τ∆=21max B rec out P P L lg 10α=Bc n L 411<∆⨯1、多模光纤的折射率分布决定光纤带宽和连接损耗，单模光纤的折射率分布决定工作波长的选择。
第三章 单模光纤传输特性及光纤中非线性效应
第三章单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应3.1.2 单模工作模特性及光功率分布 (3)3.1.3单模光纤中LP01模的高斯近似 (4)3.2 单模光纤的双折射（单模光纤中的偏振态传输特性） (6)3.2.1双折射概念 (6)3.2.2 偏振模色散概念 (8)3.2.3 单模光纤中偏振状态的演化 (9)3.2.4 单模单偏振光纤 (10)3.3单模光纤色散 (11)3.3.1 色散概述 (11)3.3.2 单模光纤的色散系数 (13)3.4 单模光纤中的非线性效应 (15)3.4.1 受激拉曼散射（SRS） (16)3.4.2 受激布里渊散射（SBS） (19)3.5 非线性折射率及相关非线性现象 (21)3.5.1 光纤的非线性折射率 (21)3.5.2 与非线性折射率有关的非线性现象 (22)3.5.3 自相位调制 (23)第三章单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应3.1 单模光纤的传输特性单模光纤就是在给定的工作波长上，只有主模式才能传播的光纤。
例如在阶跃型光纤只传播HE11模（或LP01）的光纤。
由于单模光纤中只传输一个模式，不存在模式色散，所以它的色散比多模光纤要小的多，因而单模光纤拥有巨大的传输带宽。
长途光纤通信系统都无例外的采用单模光纤作为传输介质。
由于单模光纤已经成为光纤通信系统中最主要的传输介质，所以对单模光纤分析并掌握其传输特性就显得尤为重要。
单模光纤的纤芯折射率分布可以是均匀的，也可以是渐变的。
3.1.1 单模条件和截止波长阶跃式光纤的主模LP 01模的归一化频率为零，次最低阶模LP 11模的归一化截止频率为2.405。
单模传输条件是光纤中只有LP 01模可以传输，而LP 11模以及其它高次模都被截止，这就意味着归一化工作频率应满足条件：0<V<2.405。
单模光纤的截止波长也就是LP 11模的截止波长，在光纤结构参数n 1、Δ及a 已知的条件下，其截止波长为： a n U a n cc 112612.222∆=∆=πλ按上式计算截止波长只有理论意义。
光纤传输特性
4 光纤的损耗波谱曲线
dB/km
一般测试曲线
损 耗
瑞利散射 短 波 长 窗 口 紫外吸收
红外吸收 长波长口: ➢ 0.85um 约为 2.5dB/km ➢ 1.31um 约为 0.5dB/km ➢ 1.55um 约为 0.2dB/km
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
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。
大多数已安装的光纤 低损耗 大色散分布 大有效面积 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。
G.653单模光纤（DSF）
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。 ❖ 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。
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。
光纤传输理论
Er
k02n2
j
2
Ez r
0 0
k0 r
H z
E
k02n2
j
2
r
Ez
0 0
k0 r
H r
z
Hr
k02n2
j
2
H z r
k0n2 r
Ez
H
k02n2
j
2
H z r
0 0
k0n2
Ez
光纤中场的纵向分量：
2Ez r 2
1 r
Ez r
1 r2
2Ez
2
(k 2
2)Ez
0
2Hz r 2
n(r
)
径向分量：
d
(n
dr
)
nr
d
2
dn
ds ds ds dr
轴向分量： 圆周分量：
n dr d d nr d 0
ds ds ds ds d (n dz) 0 ds ds
求解光线方程的过程：
n(r0 ) sinn no sin0 sin0
光纤入射端处折射光线波 矢量K的圆柱分量:
几何光学方法更简单直观，但用波动理论可以 对光纤的传输特性和传输原理有更精确的分析
波动理论和射线理论之比较
适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 主要特点
几何光学方法 l << 2a 光线 射线方程
折射/反射定理 约束光线
波动光学方法 l ~ 2a 模式
波导场方程 边值问题 模式
3.2.1 传输条件
3.3 光纤的波动理论
光线理论分析法虽然可简单直观地得到光线在光纤中传 输的物理图像，但由于忽略了光的波动性质，不能了解 光场在纤芯、包层中的结构分布以及其他许多特性。尤 其是对单模光纤，由于芯径尺寸小，光线理论就不能正 确处理单模光纤的问题。
光纤光学第三版
光纤光学第三版第一章：光纤光学的基本概念光纤光学是一门研究光在纤维中传播和控制的学科。
随着信息技术的发展，光纤光学在通信、传感、医疗等领域得到了广泛的应用。
本章将介绍光纤光学的基本概念，包括光的传播特性、光纤的结构和制备方法等。
1.1 光的传播特性光是一种电磁波，具有波粒二象性。
在光纤中，光的传播遵循光的折射定律和反射定律。
光在光纤中的传播速度取决于光的频率和光纤的折射率。
1.2 光纤的结构光纤是由芯、包层和包覆层组成的。
芯是光信号传输的核心部分，包层用于控制光的传播，包覆层用于保护光纤。
光纤的结构对光的传播特性有重要影响。
1.3 光纤的制备方法光纤的制备方法包括拉制法、外延法和化学气相沉积法等。
拉制法是目前最常用的方法，它通过加热和拉伸光纤预制材料来制备光纤。
第二章：光纤的传输特性光纤的传输特性是指光在光纤中传播过程中的损耗、色散和非线性效应等。
本章将介绍光纤的传输特性及其对光信号传输的影响。
2.1 光纤的损耗光纤的损耗是指光在光纤中传播过程中能量的损失。
主要包括吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗等。
降低光纤的损耗是提高光纤传输效率的关键。
2.2 光纤的色散光纤的色散是指光在光纤中传播过程中不同频率的光信号传播速度不同所引起的现象。
主要包括色散的类型、原因和补偿方法等。
2.3 光纤的非线性效应光纤的非线性效应是指光在光纤中传播过程中由于光的强度变化而引起的非线性光学现象。
主要包括自相位调制、受激拉曼散射和自发参量过程等。
第三章：光纤通信系统光纤通信系统是利用光纤传输光信号进行信息交换的系统。
本章将介绍光纤通信系统的基本原理和组成部分。
3.1 光纤通信系统的基本原理光纤通信系统的基本原理是将电信号转换为光信号，通过光纤传输光信号，再将光信号转换为电信号进行信息传输。
3.2 光纤通信系统的组成部分光纤通信系统由光源、光纤、光接收器和信号处理器等组成。
光源产生光信号，光纤传输光信号，光接收器接收光信号并转换为电信号，信号处理器对电信号进行处理。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第三章光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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
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，这将导致偏振模色散
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)
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
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
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
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
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
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？
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
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
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
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
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：
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