光纤的损耗与色散
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V2 an1 2n2 21/22 aNA
2 W 0 2 a 0 . 6 1 . 6 5 V 3 1 / 2 2 . 8 9 V 6 7
增加，V减少，W0越大
光纤损耗的度量
总的来说，光信号在光纤中传播的时候，其功率随距离 L 的增加呈指数衰减：
PoutPineL
那么，评价光纤损耗特性可以通过损耗系数来衡量。光纤的 损耗系数定义为：
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 -> 原子缺陷 光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动
吸收光能，引起损耗 人死亡
800
1 rad(Si) = 0.01 J/kg
散射损耗
光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象 1. 瑞利散射 2. 波导散射
瑞利散射
波导在小于光波长尺度上的不均匀： - 分子密度分布不均匀 - 掺杂分子导致折射率不均匀 导致波导对入射光产生本征散射。 瑞利散射一般发生在短波长
本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
波导散射
导致的原因是波导缺陷 - 纤芯和包层的界面不完备 - 圆度不均匀 - 残留气泡和裂痕等
目前的制造工艺基本可以克服波导散射
弯曲损耗
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高频弯曲
场分布
消逝场
Cladding
<
Core
> c
弯曲曲率半径减小 宏弯损耗指数增加
R
P包层1 < P包层2
弯曲损耗与模场直径的关系
Loss模场直径小 < Loss模场直径大 Loss低阶模 < Loss高阶模
模式剥离器：将光纤缠绕成环
标准单模光纤损耗曲线
掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤 AllWave：逼近本征损耗 单模：本征损耗+OH¯吸收损耗
OH－
AllWave fiber
0.154 dB/km
常温且未暴露 在强辐射下
商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较
多模光纤
单ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光纤
多模光纤的损耗大于单模光纤： - 多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径 (本征散射大) - 由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗
材料色散
光纤的折射率是波长的函数n()，则不同的波长的传播函数不同：
可以得到传播 了2 L后n ( 由) DT 所 带v L g 来的 2 群 2L c延 时 差L c为 n：d d n
Dm为材料色散系D 数Tm 。d dT DDL cd d2n 2 DLD m()
Dm()
c
d 2n
d2
1
1
2
2
3
3
模内色散：波导色散
信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度
单模光纤中传播模80%能量在纤芯 20%能量在包层
模内色散 - 群速率色散 (GVD)
信号分量的群速率是频率/波长的函数：
vg 122c1
2c/
即不同的频率分量间存在群时延差。信号在传输了距离L后，
频率分量经历的延时为：
递给晶格，使其振动加
剧，从而引起的损耗
Ex
光传播方向
k
z
本征吸收曲线
非本征吸收
光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收 OH－和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等
OH－吸收峰 ~ 2 dB
解决方法： (1) 光纤材料化学提纯，比
如达到 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)
第三讲 光纤的损耗和色散
主要内容
光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化
3.1 光纤的损耗
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。这些损耗主要包 括： 1. 吸收损耗 2. 散射损耗 3. 弯曲损耗
吸收损耗
本征吸收：
由制造光纤材料本身 (如SiO2) 的特性所决 定，即便波导结构非常完美而且材料不含 任何杂质也会存在本征吸收
原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的不完整造成
非本征吸收： 由过渡金属离子和氢氧根离子 (OH－)等杂 质对光的吸收而产生的损耗
本征吸收
(1) 紫外吸收 光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引 起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围
(2) 红外吸收
晶格
光波与光纤晶格相互作
用，一部分光波能量传
1L0logPPoinut dB/km
其中L为光纤长度，Pin和Pout分别为输入和输出光功率。一般 标准单模光纤在1550 nm的损耗系数为0.2 dB/km。
损耗的补偿办法
电放大 光电光
全光放大
EDFA 拉曼放大器
掺铒光纤放大器
主要内容
光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化
3.2 色散引起的信号失真
其中D()称为色散系数：
D()22c2
ps/(km·nm)
标准单模光纤在1550 nm处色散系数为~17 ps/km·nm
正色散、负色散和零色散
D()22c2
1. 色散系数D为正：负色散 2 < 0 v高频光 > v低频光
2. 色散系数D为负：正色散 2 > 0 v高频光 < v低频光
3. 色散系数D为零：零色散
不同的频率、模式、偏振分量 色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生 码间干扰，给信号的最后判决造成困难
分类： 1. 模内色散
- 材料色散 - 波导色散 2. 模间色散 3. 偏振模色散
模内色散：材料色散
A
光源输出都有一定的谱宽
> 0.001 nm
f
光纤材料对不同的频率成 份折射率(传播速率)不同
减小材料色散：选择谱宽窄的光源
微弯损耗
微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均 成缆时受到压力不均 使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同
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
与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗
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
长波长处附加损耗显著
T L L d vg d
对于一个谱宽为D的脉冲，那么脉冲展宽的多少可以由下式
决定：
D Td d D T d d v L g D Ld d 22D L 2D
GVD 参数
群时延色散
通常在波长域习惯用D来表示谱宽。根据和之间的
关系：
2c D22cD
代入DT中，那么可以得到：
D T L 2 D L 22 2 cD L D D
2 W 0 2 a 0 . 6 1 . 6 5 V 3 1 / 2 2 . 8 9 V 6 7
增加，V减少，W0越大
光纤损耗的度量
总的来说，光信号在光纤中传播的时候，其功率随距离 L 的增加呈指数衰减：
PoutPineL
那么，评价光纤损耗特性可以通过损耗系数来衡量。光纤的 损耗系数定义为：
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 -> 原子缺陷 光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动
吸收光能，引起损耗 人死亡
800
1 rad(Si) = 0.01 J/kg
散射损耗
光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象 1. 瑞利散射 2. 波导散射
瑞利散射
波导在小于光波长尺度上的不均匀： - 分子密度分布不均匀 - 掺杂分子导致折射率不均匀 导致波导对入射光产生本征散射。 瑞利散射一般发生在短波长
本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
波导散射
导致的原因是波导缺陷 - 纤芯和包层的界面不完备 - 圆度不均匀 - 残留气泡和裂痕等
目前的制造工艺基本可以克服波导散射
弯曲损耗
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高频弯曲
场分布
消逝场
Cladding
<
Core
> c
弯曲曲率半径减小 宏弯损耗指数增加
R
P包层1 < P包层2
弯曲损耗与模场直径的关系
Loss模场直径小 < Loss模场直径大 Loss低阶模 < Loss高阶模
模式剥离器：将光纤缠绕成环
标准单模光纤损耗曲线
掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤 AllWave：逼近本征损耗 单模：本征损耗+OH¯吸收损耗
OH－
AllWave fiber
0.154 dB/km
常温且未暴露 在强辐射下
商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较
多模光纤
单ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光纤
多模光纤的损耗大于单模光纤： - 多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径 (本征散射大) - 由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗
材料色散
光纤的折射率是波长的函数n()，则不同的波长的传播函数不同：
可以得到传播 了2 L后n ( 由) DT 所 带v L g 来的 2 群 2L c延 时 差L c为 n：d d n
Dm为材料色散系D 数Tm 。d dT DDL cd d2n 2 DLD m()
Dm()
c
d 2n
d2
1
1
2
2
3
3
模内色散：波导色散
信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度
单模光纤中传播模80%能量在纤芯 20%能量在包层
模内色散 - 群速率色散 (GVD)
信号分量的群速率是频率/波长的函数：
vg 122c1
2c/
即不同的频率分量间存在群时延差。信号在传输了距离L后，
频率分量经历的延时为：
递给晶格，使其振动加
剧，从而引起的损耗
Ex
光传播方向
k
z
本征吸收曲线
非本征吸收
光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收 OH－和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等
OH－吸收峰 ~ 2 dB
解决方法： (1) 光纤材料化学提纯，比
如达到 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)
第三讲 光纤的损耗和色散
主要内容
光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化
3.1 光纤的损耗
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。这些损耗主要包 括： 1. 吸收损耗 2. 散射损耗 3. 弯曲损耗
吸收损耗
本征吸收：
由制造光纤材料本身 (如SiO2) 的特性所决 定，即便波导结构非常完美而且材料不含 任何杂质也会存在本征吸收
原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的不完整造成
非本征吸收： 由过渡金属离子和氢氧根离子 (OH－)等杂 质对光的吸收而产生的损耗
本征吸收
(1) 紫外吸收 光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引 起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围
(2) 红外吸收
晶格
光波与光纤晶格相互作
用，一部分光波能量传
1L0logPPoinut dB/km
其中L为光纤长度，Pin和Pout分别为输入和输出光功率。一般 标准单模光纤在1550 nm的损耗系数为0.2 dB/km。
损耗的补偿办法
电放大 光电光
全光放大
EDFA 拉曼放大器
掺铒光纤放大器
主要内容
光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化
3.2 色散引起的信号失真
其中D()称为色散系数：
D()22c2
ps/(km·nm)
标准单模光纤在1550 nm处色散系数为~17 ps/km·nm
正色散、负色散和零色散
D()22c2
1. 色散系数D为正：负色散 2 < 0 v高频光 > v低频光
2. 色散系数D为负：正色散 2 > 0 v高频光 < v低频光
3. 色散系数D为零：零色散
不同的频率、模式、偏振分量 色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生 码间干扰，给信号的最后判决造成困难
分类： 1. 模内色散
- 材料色散 - 波导色散 2. 模间色散 3. 偏振模色散
模内色散：材料色散
A
光源输出都有一定的谱宽
> 0.001 nm
f
光纤材料对不同的频率成 份折射率(传播速率)不同
减小材料色散：选择谱宽窄的光源
微弯损耗
微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均 成缆时受到压力不均 使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同
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
与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗
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
长波长处附加损耗显著
T L L d vg d
对于一个谱宽为D的脉冲，那么脉冲展宽的多少可以由下式
决定：
D Td d D T d d v L g D Ld d 22D L 2D
GVD 参数
群时延色散
通常在波长域习惯用D来表示谱宽。根据和之间的
关系：
2c D22cD
代入DT中，那么可以得到：
D T L 2 D L 22 2 cD L D D