光纤的特性
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2020/3/26
1.
本征吸收损耗在光学波长及其附近有 两种基本的吸收方式。
(1)
紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子 流将光纤材料中的电子从低能级激发到 高能级时，光子流中的能量将被电子吸 收，从而引起的损耗。
2020/3/26
(2)
红外吸收损耗是由于光纤中传播的光 波与晶格相互作用时，一部分光波能量 传递给晶格，使其振动加剧，从而引起 的损耗。
(1)(2) 水峰
2020/3/26
2.3 光纤色散
光纤色散是光纤最重要特性参量之一。 它在很大程度上决定了信号传输质量
2020/3/26
2.3.1引言
光纤色散：在光纤中传输的光脉冲，受到由光
纤的折射率分布、光纤材料的色散特性、光纤中 的模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的 “延迟畸变”，使该脉冲波形在通过光纤后发生 展宽。
2.2光纤的损耗
杂质离子吸收
吸收损耗
过渡族金属离子 OH-
损
本征吸收
紫外吸收
耗
红外吸收
折射率分布不均匀
制作缺陷 芯-包层界面不理想
散射损耗
气泡、条纹、结石 瑞利散射 与波长四次方成反比
本征散射及其他 布里渊散射
喇曼散射
2020/3/26
•2.2.1光纤的损耗特性
吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其 中的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，前者是由光 纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸 收损耗。
L GRIN
n1 2c
2＝
2020/3/26
2.
光纤中存在两种非线性散射，它们都 与石英光纤的振动激发态有关，分别为 受激喇曼散射和受激布里渊散射。
2020/3/26
光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率 半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们 习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴 线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习 惯称为微弯。
（1）多模色散 （2）波导色散
波长色散
（3）材料色散
（4）偏振色散
2020/3/26
脉冲与脉冲线宽
=为光源的线宽，为脉冲的脉宽
2020/3/26
群延时t
t
1 vg
d d
d d
0
(
0
)
d 2 d 2
0
wenku.baidu.com
k0 / c,dk0 / d 1/ c 2c / ,d / d 2 / 2c
2020/3/26
2020/3/26
在光缆的生产、接续和施工过程中， 不可避免地出现弯曲。
微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光 纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层 和套塑的热膨胀系数不一致而引起的， 其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变 换引起的。
2020/3/26
为了衡量一根光纤损耗特性的好坏， 在此引入损耗系数(或称为衰减系数)的概
对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞 利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射 损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收 损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。
2020/3/26
(2) 光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗)
在光纤制造过程中，由于工艺、技术 问题以及一些随机因素，可能造成光纤结 构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面 不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中 残留气泡和裂痕等等。
Δτ=(Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w)1/2 Δτn ——模式色散； Δτm——材料色散； Δτw ——波导色散 2020/3/所26 引起的脉冲展宽的均方根值。
群速与群延时
群速 的表示：
Vg
d d
群延时：群速Vg行进单位长度所花费的时间，即
g
1 Vg
d d
2020/3/26
光纤内的群延时
k0n
念，即传输单位长度(1km)光纤所引起的 光功率减小的分贝数，一般用α表示损耗 系 数 ， 单 位 是 dB/km。 用 数 学 表 达 式 表
示为：
2020/3/26
式中：L为光纤长度，以km为单位；P1 和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以 mW或μW为单位。
2020/3/26
光纤损耗的来源
2020/3/26
1.
任何光纤波导都不可能是完美无缺的， 无论是材料、尺寸、形状和折射率分布 等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引 起光纤传播模式散射性的损耗，由于这 类损耗所引起的损耗功率与传播模式的 功率成线性关系，所以称为线性散射损 耗。
2020/3/26
(1)
瑞利散射是一种最基本的散射过程， 属于固有散射。
材料色散：难调整 波导色散： 比较容易调整
2020/3/26
偏振模弥散 水平偏振基模与垂直偏振基 模的群速不同造成的脉冲
即xy
Total ( )色散2 ( )弥散2
2020/3/26
多模光纤色散
SI光纤的模式色散
L SI
n1
c
n1 n2
n1
GRIN (=2)光纤的的模式色散，单位长度脉冲展宽为
0 L
M L
DM
L
L M
0
c
d2 n
d 02
0
M
DM
DM
M
0
c
d 2n
d0 2
0
2020/3/26
材料色散参量 (ps/nm/km)
波导色散
L W
－ 0
c
d 2neff
d0 2
0
M'
DW
短波长=0.82m处 ➢材料色散M=110： ➢波导色散M’=2 ps/nm/km
色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的
表示方法不同。
如果信号是模拟调制的，色散限制带宽(Bandwith)； 如 果 信 号 是 数 字 脉 冲 ， 色 散 产 生 脉 冲 展 宽 (Pulse broadening)。 所以， 色散通常用3 dB光带宽f3dB或脉冲 展宽Δτ表示。
用脉冲展宽表示时， 光纤色散可以写成
2.
光纤中的有害杂质主要有过渡金属离 子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH －。
2020/3/26
3.
通常在光纤的制造过程中，光纤材料 受到某种热激励或光辐射时将会发生某 个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶 格很容易在光场的作用下产生振动，从 而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波
长约为630nm左右。
2n 0
2f 2c
0
g
d d
d d0
d0 d
2n 0 2
2 0
dn
d0
•
0 2 2c
1 c
n
0
dn
d 0
ps/nm
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材料色散参量
m
L g
L Vg
m (0 ) m (0 ) L g 0 g 0
0
c
d2 n
d 02
1.
本征吸收损耗在光学波长及其附近有 两种基本的吸收方式。
(1)
紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子 流将光纤材料中的电子从低能级激发到 高能级时，光子流中的能量将被电子吸 收，从而引起的损耗。
2020/3/26
(2)
红外吸收损耗是由于光纤中传播的光 波与晶格相互作用时，一部分光波能量 传递给晶格，使其振动加剧，从而引起 的损耗。
(1)(2) 水峰
2020/3/26
2.3 光纤色散
光纤色散是光纤最重要特性参量之一。 它在很大程度上决定了信号传输质量
2020/3/26
2.3.1引言
光纤色散：在光纤中传输的光脉冲，受到由光
纤的折射率分布、光纤材料的色散特性、光纤中 的模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的 “延迟畸变”，使该脉冲波形在通过光纤后发生 展宽。
2.2光纤的损耗
杂质离子吸收
吸收损耗
过渡族金属离子 OH-
损
本征吸收
紫外吸收
耗
红外吸收
折射率分布不均匀
制作缺陷 芯-包层界面不理想
散射损耗
气泡、条纹、结石 瑞利散射 与波长四次方成反比
本征散射及其他 布里渊散射
喇曼散射
2020/3/26
•2.2.1光纤的损耗特性
吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其 中的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，前者是由光 纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸 收损耗。
L GRIN
n1 2c
2＝
2020/3/26
2.
光纤中存在两种非线性散射，它们都 与石英光纤的振动激发态有关，分别为 受激喇曼散射和受激布里渊散射。
2020/3/26
光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率 半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们 习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴 线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习 惯称为微弯。
（1）多模色散 （2）波导色散
波长色散
（3）材料色散
（4）偏振色散
2020/3/26
脉冲与脉冲线宽
=为光源的线宽，为脉冲的脉宽
2020/3/26
群延时t
t
1 vg
d d
d d
0
(
0
)
d 2 d 2
0
wenku.baidu.com
k0 / c,dk0 / d 1/ c 2c / ,d / d 2 / 2c
2020/3/26
2020/3/26
在光缆的生产、接续和施工过程中， 不可避免地出现弯曲。
微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光 纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层 和套塑的热膨胀系数不一致而引起的， 其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变 换引起的。
2020/3/26
为了衡量一根光纤损耗特性的好坏， 在此引入损耗系数(或称为衰减系数)的概
对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞 利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射 损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收 损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。
2020/3/26
(2) 光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗)
在光纤制造过程中，由于工艺、技术 问题以及一些随机因素，可能造成光纤结 构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面 不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中 残留气泡和裂痕等等。
Δτ=(Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w)1/2 Δτn ——模式色散； Δτm——材料色散； Δτw ——波导色散 2020/3/所26 引起的脉冲展宽的均方根值。
群速与群延时
群速 的表示：
Vg
d d
群延时：群速Vg行进单位长度所花费的时间，即
g
1 Vg
d d
2020/3/26
光纤内的群延时
k0n
念，即传输单位长度(1km)光纤所引起的 光功率减小的分贝数，一般用α表示损耗 系 数 ， 单 位 是 dB/km。 用 数 学 表 达 式 表
示为：
2020/3/26
式中：L为光纤长度，以km为单位；P1 和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以 mW或μW为单位。
2020/3/26
光纤损耗的来源
2020/3/26
1.
任何光纤波导都不可能是完美无缺的， 无论是材料、尺寸、形状和折射率分布 等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引 起光纤传播模式散射性的损耗，由于这 类损耗所引起的损耗功率与传播模式的 功率成线性关系，所以称为线性散射损 耗。
2020/3/26
(1)
瑞利散射是一种最基本的散射过程， 属于固有散射。
材料色散：难调整 波导色散： 比较容易调整
2020/3/26
偏振模弥散 水平偏振基模与垂直偏振基 模的群速不同造成的脉冲
即xy
Total ( )色散2 ( )弥散2
2020/3/26
多模光纤色散
SI光纤的模式色散
L SI
n1
c
n1 n2
n1
GRIN (=2)光纤的的模式色散，单位长度脉冲展宽为
0 L
M L
DM
L
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0
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0
M
DM
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2020/3/26
材料色散参量 (ps/nm/km)
波导色散
L W
－ 0
c
d 2neff
d0 2
0
M'
DW
短波长=0.82m处 ➢材料色散M=110： ➢波导色散M’=2 ps/nm/km
色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的
表示方法不同。
如果信号是模拟调制的，色散限制带宽(Bandwith)； 如 果 信 号 是 数 字 脉 冲 ， 色 散 产 生 脉 冲 展 宽 (Pulse broadening)。 所以， 色散通常用3 dB光带宽f3dB或脉冲 展宽Δτ表示。
用脉冲展宽表示时， 光纤色散可以写成
2.
光纤中的有害杂质主要有过渡金属离 子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH －。
2020/3/26
3.
通常在光纤的制造过程中，光纤材料 受到某种热激励或光辐射时将会发生某 个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶 格很容易在光场的作用下产生振动，从 而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波
长约为630nm左右。
2n 0
2f 2c
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g
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2 0
dn
d0
•
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ps/nm
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材料色散参量
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