光纤通信 第三章

3光纤损耗特性的分析
吸收损耗 光纤材料的吸收损耗主要包括本征吸收损 耗、杂质吸收损耗和原子缺陷吸收损耗。 ①本征吸收损耗是构成光纤的石英材料本 身所固有的，主要有两种基本吸收方式： 紫外吸收和红外吸收。 ②杂质吸收损耗 光纤中的有害杂质很多，主要有过渡金属 离子和OH离子两大类。
4．偏振特性
在单模光纤传输的基模实际上是相互垂
直的两个模式，在理想的轴对称单模光 纤中，这两个模式相互简并，即具有相 同的传播常数β 。 但是实际的光纤，它的形状不可能理想 的轴对称分布，折射率和应力分布的不 均匀性，将会导致两个模式的简并性受 到破坏，两个模式的传输相位常数不同。

这将会导致光场沿光纤传输时，偏振状态不断 发生变化，如图3-4-5所示：线偏振状态→椭圆 偏振状态→圆偏振状态→椭圆偏振状态→线偏 振状态。这种现象也称为单模光纤的双折射效 应。
国际电工委员会（IEC） 代号
B1.1 B1.2 B2 B3 B4
G．652 G．654 G．653 —— G．655
普通型 截止波长位移 色散位移 色散平坦 非零色散
二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅
表3-1-2 多模光纤
分类代号
A1a A1b A1c A1d A2a A2b A2c A2d A3a A3b A4a A4b A4c
由U和W可以得出两个比较重要的基本参
量：归一化传播常数b和归一化频率V。b 和V定义为
可得
这两个常数决定于光纤的结构和波长
特征方程
在纤芯和包层的界面上，由电磁场理
论可知，电场和磁场的轴向分量都是 连续的，即
Ez1=Ez2 Hz1=Hz2
可得在弱导波情况下的特征方程
3.阶跃型光纤中的线性偏振模式
折射率分布
渐变折射率 渐变折射率 渐变折射率 渐变折射率 突变折射率 突变折射率 突变折射率 突变折射率 突变折射率 突变折射率 突变折射率 突变折射率 突变折射率
纤芯直径/μm
50 62.5 85 100 50 85 100 200 200 200 980～990 730～740 480～490
包层直径μm
125 125 125 140 125 125 140 250 300 380 1000 750 500
材料
二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅纤芯塑料包层 二氧化硅纤芯塑料包层 塑料 塑料 塑料
（1）阶跃型光纤的导光原理
(2) 渐变型光纤的导光原理

根据如上分析如果进一步减小光纤的损耗有如下 方案： ①全波光纤，也称无水光纤，进一步减小 离子的 浓度，这样 离子吸收损耗就会减小，1.39μm的 吸收峰极大地降低，从1100nm～1600nm都会损 耗较小，为波分复用提供广阔的空间。 ②新材料光纤，有一种新的氟化锆(ZrF4)光纤， 在λ=2.55μm附近具有极低的本征材料吸收损耗约 0.01dB/km，比石英光纤低一个数量级，具有诱 人的应用潜力。另一种硫化物多晶光纤在 λ=10μm附近的红外区亦具有很低的损耗，理论 上预示这类光纤的最低损耗将小于 。


由于光纤在通信的重要性，建立国际标准是十分必要 的。现在将国际电工委员会（IEC）和国际电信联盟电 信标准化部（ITU-T）的有关建议汇总，见表3-1-1和 表3-1-2，表中字母A表示多模光纤，字母B表示单模光 纤。 表3-1-1 单模光纤
国际电信联盟—电信委员会 （ITU-T）代号 名称 材料
普通单模光纤的双折射相对而言并不十分
严重,它所引起的偏振色散的影响一般不大, 但对大容量的 1550nm 零色散单模光纤系统 来说,它可能成为唯一的色散源。 为了实现单一偏振光的传输,人们制造了保 偏光纤,它包括低双折射及高双折射两种。 低双折射保偏光纤是通过改进制造工艺达 到尽量高的圆度、在结构材料及工艺上消 除光纤内的残余应力，从而获得非常小的 双折射。
3.4 单模光纤
单模光纤是在给定的工作波长上，只传
输单一基模的光纤。在单模光纤中不存 在模间色散，因此它具有相当宽的传输 频带，适用于长距离、大容量的传输。
1单模光纤的折射率分布
实际的单模光纤是折射率分布随半径变化的 非均匀光纤。折射率分布的非均匀性有两种 情况：
（1）由于纤芯材料和包层材料不同，在制造过程中， 相互向对方扩散，渗透，使得在纤芯和包层的交界 r=a处，折射率由n1逐渐变化到n2，呈“圆形”变化。 如图3-4-1（b）所示
（第2版）
袁国良编著
第3章 光纤
本章内容
3.1 光纤概述 3.2 阶跃型光纤的波动光学理论 3.3 渐变型光纤的理论分析 3.4 单模光纤 3.5 光纤的损耗特性 3.6 光纤的色散特性 3.7 光纤的特性参数 小结、习题
3.1 光纤概述
光纤的典型结构是多层同轴圆柱体如 图3-1-1所示。光纤由纤芯和包层构成， 为了增强光纤的机械强度，在裸光纤的 外面加上涂覆层。
2 单模的截止波长λ c
所谓截止波长，一般指的是LP11模的截止波长
3．模场直径（MFD）
制造商经常使用模场直径（MFD）来描述单模 光纤的光学特性，它是衡量光纤横截面上一定 场强范围的物理量。
可以用高斯函数模场半径w0来描述光纤横截面上一 定场强范围，即定义纤芯中场分布曲线最大值的1/e 处所对应的宽度为模场直径。
(3) 弯曲损耗
当理想的圆柱形光纤受到某种外力作用时，会产生一 定曲率半径的弯曲，导致能量泄漏到包层，这种由能 量泄漏导致的损耗称为辐射损耗。光纤受力弯曲有两 类：宏弯和微弯。 ①宏弯是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲，例如， 当光缆拐弯时就会发生这样的弯曲。一般情况下弯曲 半径大于5mm时，宏弯损耗可以忽略；但是弯曲半径 在5mm以下减小时，宏弯损耗会极大地增加，所以应 该避免这种情况。 ②微弯是光纤成缆时由于涂覆材料而产生的随机性扭 曲，微弯引起的附加损耗一般很小，基本上观测不到。 但是当温度低到摄氏50～60度时，微弯损耗加大。
3.2 阶跃型光纤的波动光学理论
1.光纤传输光波的波动方程和求解方法 光矢量 光纤材料是各向同性介质，光波在光纤中的传 输满足麦克斯韦方程组。在无源空间电场强度 E和磁场强度H满足亥姆霍兹方程：


直接求出亥姆霍兹方程的矢量能十分繁琐，得 到的解也较为复杂，所以一般采用标量近似解 法。

(1)

③原子缺陷吸收损耗是光纤材料的某个共价键断裂而 产生原子缺陷，而吸收光能引起损耗，其吸收峰波长 约0.63μm，选择合适的制作工艺，这种因素的影响也 可以减至最小。
(2)

散射损耗
光纤散射是由于光纤中介质的不均匀性而使光向各个 方向散开的现象，光纤散射会使一部分光功率辐射到 光纤外面而造成损耗。光纤散射损耗包括线性散射损 耗和非线性散射损耗两大类。
由于在预制棒制作过程中，形成纤芯r=0
处，折射指数下陷，这就是通常所说的 MCVD制造工艺所引起的一种典型缺陷。 如图3-4-2所示。 这种情况对于LP 11的截止的归一化频率 V C影响较小。
为了使材料色散和波导色散相互抵消，使光纤在 某一低损耗窗口工作时色散达到最小，折射率分 布可以采用下凹型。下凹型单模光纤的折射率分 布如图 3-4-2 所示，在纤芯和包层之间设立一折 射率比包层折射率还低的中间层，或称为内包层， 采用这种结构形式，是为了减小单模光纤的色散。
在弱导波光纤中传播的电磁波非常接近
TEM 波，具有偏振方向保持不变的特性， 人们称为线性偏振模式，也称为标量模， 用LPmn表示。m取值为：m=0,1,2……。n 取值为：n=1,2,3……。 不同的 m 和 n 的值，则场的分布状况和传 输特性都不同。当然不同的 m 和n 的值， 对应着不同的模式。

标量近似解法
通信光纤中的纤芯和包层折射率差很小，光纤中的光 线几乎与光纤轴平行。这种波非常接近TEM波，其电 磁场的轴向分量Ez和Hz非常小，而横向分量Et和Ht很 强。 设横向电场沿y轴偏振，横向场即是Ey，则它满足下 面的标量波动方程：


求解式(3-2-6)，满足芯包界面边界条件，即是光纤的 标量解

2光纤损耗特性
由石英光纤的损耗谱曲线自然地显示光纤通信系统的三个低损耗 窗口： ① 第一低损耗窗口短波长0.85μm附近； ② 第二低损耗窗口长波长1.31μm附近；
③ 第三低损耗窗口长波长1.55μm附近；
实验上曲线的损耗值为：对于单模光纤，
在0.85μm时约为2.5dB/km；在1.31μm 时约为0.4dB/km；在1.55μm时仅为 0.2dB/km，已接近理论值(理论极限为 0.15dB/km)。

3.6 光纤的色散特性
1光纤色散的概念和种类 光信号在光纤中传输时不仅由于光纤损耗而使 光功率变小，波形也会变得越来越失真。光信 号通过光纤传播期间，波形在时间上发生展宽 的现象称为光纤色散。 引起光纤色散的原因很多，主要有： （1）模式色散 （2）材料色散 （3）波导色散 （4）偏振模色散 （5）高级色散

通常选取平方律型分布形式 称为渐变型光 纤的最佳折射指数分布。
2渐变型光纤的标量近似解法
渐变型光纤的标量近似解(3-3-3)式表明：
① 场随r增加而迅速减小；
② 场是振荡型的，随m，n而不同。
③ 如果p=m+n相同则βmn相同。
说明所有模式构成模式群，p相同的模式是互相简 并的。即p相同的模式群，βmn相同，或者说以相 同的速度传输。
光纤的种类很多，从不同的角度，有不
同的分类方法。通常我们可以按照传输 模式、光纤材料和折射率分布来分类： （1）按照传输模式分类可分为：单模光 纤和多模光纤； （2）按照光纤材料分类可分为：石英光 纤，石英纤芯塑料包层光纤、塑料光纤 等； （3）按照折射率分布来分类可分为：阶 跃型（突变折射率）光纤和渐变型光纤。
高双折射保偏光纤是对光纤的结构进行
特殊设计，光纤的纤芯仍为圆形，但在 紧靠纤芯的包层采用特殊结构如图3-4-6 所示，使两个基本模的传播常数相差很 大，这样光纤中只有一个模式处于主导 地位，实现较长传输距离上偏振态基本 不变。
3.5 光纤的损耗特性
1.衰减系数
损耗是光纤的一个重要传输参量，是光纤传输 系统中继距离的主要限制因素之一。 损耗的大小可以用衰减常数α定义。 通常α表示成dB/km为单位的形式。 。

图3-2-1给出几个低阶模的强度分布和可视图 形，可以很好地理解线性偏振模式。
单模传输条件为 0＜V＜2.40483 (3-2-18)
满足上公式(3-2-18)时，LP01能够传输，而 LP11以上所有模式处于截止状态
3.3 渐变型光纤的理论分析
1
渐变型光纤的最佳折射指数分布
由渐变型光纤导光原理可知，只要 n(r) 取 得合适，那么不同模式的光线就会具有相 同的轴向速度。 即具有不同条件的子午射线，从同一地点 出发，达到相同的终端。这种现象称为光 纤的自聚焦现象，相应的折射指数分布称 为最佳折射指数分布。
标量解

采用标量近似解法，可以得到在阶跃型光纤中 电磁场的场解。
2.光纤的归一化频率和特征方程

解方程过程中引入了两个常数U和W。
U称为导波的径向归一化相位常数，表明了在光纤 的纤芯中，导波沿半径r方向的场的分布规律。 W称为导波的径向归一化衰减系数，表明了在光纤 的包纤中，场沿半径r方向的衰减规律。
相对折射指数差 Δ 和数值孔径 NA 是描述
光纤性能的两个重要参数。 1相对折射指数Δ 光纤纤芯的折射率和包层的折射率的相 差程度可以用相对折射指数差Δ来表示 相对折射指数Δ很小的光纤称为弱导波光 纤

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2数值孔径NA
表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为光 纤的数值孔径，用NA表示。 数值孔径越大表示光纤捕捉射线的能力就越强。 由于弱导波光纤的相对折射指数差 Δ 很小，因 此其数值孔径也不大。 对于阶跃型光纤，数值孔径为常数 对于渐变型光纤，由于纤芯中各处的折射率是 不同的因此各点的数值孔径也不相同。我们把 射入点r处的数值孔径称为渐变型光纤的本地数 值孔径用NA(r)表示。