第3章光纤的传输特性

单模光纤的波长色散

材料色散和波导色散都与频率(波长)有关，统称为波长
色散或GVD(Group Velocity Dispersion，群速度色散)

群速度是表征光信号包络传播速度的量
相速度：v p
d 群速度： v g d
色散系数
1 d 单位长度光纤上光信号的群时延： d vg d

折射时色散的本质：


色散对光信号包络传播的影响

包络展宽
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

光纤通信中色散的含义

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

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

1310nm


1550nm

0.3dB/km(典型值为0.2dB/km）
0.154dB/km
使用过程中光纤的损耗变化

变化趋势

损耗增大 热胀冷缩 油膏特性变差 光纤受水分侵蚀


原因

OH-吸收损耗增大 光纤分子缺陷增多
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：
第三章 光纤的传输特性
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
3.1 光纤中信号的劣化
信号的损伤

任何传输信道均会对信号造成损伤

线性损伤

损耗


加性噪声
外部串扰 信道内部串扰

非线性损伤

信号畸变 乘性噪声
光纤中信号的损伤

线性损伤

加性噪声
色散系数（单位波长间隔的群时延差）：
d d d D ( ) ( ) d d d d
2 1 d d 2 (2 ) 2 2c d d k0 d 2 c dk 0 2
d g
波长色散的组成

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
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

氟化物光纤，本征吸收区波长较石英光纤更长一些

散射损耗

瑞利散射 米氏散射 宏弯和微弯

弯曲损耗

光纤的损耗谱
100 50 损 耗 dB/km 10 5 1 0.5 0.1 0.05 瑞利散射 实验值 OH-吸收 波导缺陷
红外吸收
紫外吸收
0.01
0.8
1.0
1.2 1.4 波长λ(um)
1.6
1.8
降低光纤损耗的方法

工作波长选择

选择在低损耗窗口

误差来源：

除上述误差这外，还引入了活动连接器误差

背向散射法

误差来源：

背向散射的不均匀性
3.3 光纤的色散
色散的含义

色散的原义：

Separation of visible light into colors by refraction or diffraction；可见光通过折射或衍射而分散成多种颜色[美国传 统辞典（双解）] 不同频率的光波其速度不同
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
光纤损耗的测量

测量方法：截断法wk.baidu.com插入损耗法、背向散射法 截断法

截断的目的：保证注入的一致性 误差来源

高阶模功率、近端和远端出射率的不同、光源的稳定性和光功率 计的线性

插入损耗法

超纯原料

降低过渡金属离子浓度
减小不均匀性 减小OH-离子的引入

生产工艺


光纤保护
微弯损耗和宏弯损耗机理

宏弯损耗

宏弯引起截止波长变短，功率因子下降

微弯损耗

微弯产生模式耦合，一些能量转移到了不能 传输的高阶模上，造成损耗
光纤的典型损耗特性

890nm

3dB/km 0.5dB/km(典型值为0.35dB/km)

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 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

归纳：

光纤色散的种类

模式色散

多模色散 偏振模色散 材料色散 单模光纤 中依然存在

波长色散


波导色散
多模色散

对阶跃光纤的特征方程求解，可知不同的模式，即使 光波频率相同，其传播速度也存在差异
模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散


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


显然，多模光纤中能够传播的模式越多，模式色散就 越严重，其带宽距离积就越小 消除方法：单模传输

偏振模色散（PMD）

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 偏振模色散对长途大容量光纤通信影响较为严重，



通常只能用统计推算的方法估算偏振模色散
消除方法：

减小光纤的双折射 尽可能增强光纤的双折射，使一个方向的偏振模占主导地位 绝对单模光纤

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
3.2 光纤的损耗特性
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？
光纤损耗的表示方法

光信号在光纤中传输时，信号的光功率将逐渐 变小，总的变小量就是这段光纤的损耗
一段光纤的损耗用dB表示 一般用衰减系数 表示光纤的损耗特性

P 10 lg in dB km L Pout


光纤损耗的种类

吸收损耗

本征吸收 杂质吸收

过渡金属离子 氢氧根离子