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1.55

μm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。

3、波导散射损耗

交界面随机的畸变或粗糙引起的模式转换或模式耦合所产生的散射。在光纤中传输的各种模式衰减不同，长距离的模式变换过程中，衰减小的模式变成衰减大的模式，连续的变换和反变换后，虽然各模式的损失会平衡起来，但模式总体产生额外的损耗，即由于模式的转换产生了附加损耗，这种附加的损耗就是波导散射损耗。要降低这种损耗，就要提高光纤制造工艺。对于拉得好或质量高的光纤，基本上可以忽略这种损耗。

4、光纤弯曲产生的辐射损耗

光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。当弯曲半径大于5～10cm时，由弯曲造成的损耗可以忽略。

另外还可以按以下损耗机理分类：

(光纤固有

的损耗，无

法避免决定

光纤的损耗

极限)

本征散

射

瑞利散射（材料折射率的不均匀

性引起）

长波长瑞利散射减小

非固有损耗

（由材料和

工艺引起）

杂质吸

收

过渡金属离子和离子影响较大

离子的振动吸收造成0.95μm，1.24μm，1.39μm

处出现损耗峰

波导散

射

宏观上的不均匀可以通过改善制造工艺解决

形成光纤损耗的原因很多，其损耗机理复杂，计算也比较复杂。降低损耗主要依赖于工艺的提高、相对材料的研究等。

光纤的色散特性

*************************************************************概念：光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致信号畸变的一种现象。

在数字光纤通信系统中，色散使光脉冲发生展宽。严重时，会导致光脉冲前后相互重叠，造成码间干扰，增加误码率。所以光纤的色散不仅影响光纤的传输容量，也限制了光纤通信系

统的中继距离。

（1）光纤色散的表示法

常用的表示方法有三种：

1、色散系数D(λ)：单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差，其公式为：

式中，为单位长度光纤上的时延差，单位是ps/km；是光源上的线宽，单位为nm。

2、最大时延差：描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差，时延差越大色散越严重。

3、光纤带宽：用光纤的频率特性来描述光纤的色散。经理论推导，光纤的带宽和时延差的关系为：

式中，B为光脉冲为高斯形，光功率下降3dB时的光纤每公里带宽；是光脉冲传输1 km的时延差，单位是ns/km。

（2）光纤色散的种类

1、模式色散

多模传输时同一波长分量的各种传导模式的相位常数不同，群速度不同，引起到达终端的光脉冲展宽的现象。

对于渐变型光纤，由于离轴心较远的折射率小，因而传输速度快。离轴心较近的折射率大，因而传输速度慢。结果使不同路程的光线到达输出面的时延差近似为零，所以渐变型多模光纤的模式色散较小。

对于多模光纤，模式色散通常占主导地位。单模光纤只存在一个模式，所以，单模光纤没有模式色散。

2、材料色散

光纤材料的折射率随频率（波长)而变，可使信号的各频率（波长)群速度不同引起色散。

3、波导色散

模式本身的色散。即光纤中某一种导波模式在不同的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散。波导色散是光纤波导结构参数的函数。