光纤光学-光纤特性

1、损耗的定义 当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数定义为每单位长度光纤光功率衰减分贝数： (单位：dB/km) 损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择 1 0lo go u tinPLP 吸收损耗散射损耗光纤微弯与宏弯损耗光纤连接与耦合损耗本征吸收损耗是由于光纤材料本身吸收光能量产生的。主要存在红外波段的分子振动吸收和紫外波段的电子跃迁吸收。杂质吸收损耗主要是由于光纤中含有的各种过渡金属离子和氢氧根（OH-）离子在光的激励下产生振动，吸收光能量造成。 散射损耗 散射损耗是指在光纤中传输的一部分光由于散射而改变传输方向，从而使

2、一部分光不能到达收端所产生的损耗。主要包含瑞利散射损耗、 非线性散射损耗和波导效应散射损耗。 瑞利散射损耗是由于光纤材料折射率分布小尺寸的随即不均匀性所引起的本征损耗。瑞利散射损耗与波长的四次方成反比，即波长越短，损耗越大。因此对短波长窗口影响较大。 非线性散射损耗是当光强度大到一定程度时，产生非线性喇曼散射和布里渊散射，使输入光信号的能量部分转移到新的频率成分上而形成损耗。因此非线性散射损耗是随广播频率变化的。在常规光纤中由于半导体激光器发送光功率较小，该损耗可忽略。但在DWDM系统中，由于总功率很大，就必须考虑其影响。 波导效应散射损耗是由于光纤波导结构缺陷引起的损耗，与波长无关。光纤波导

3、结构缺陷主要由熔炼和拉丝工艺不完善造成。特点：产生新的频率分量其他损耗 主要是连接损耗和弯曲损耗和微弯损耗。 连接损耗是由于进行光纤接续是端面不平整或光纤位置未对准等原因造成接头处出现损耗。其大小与连接使用的工具和操作者技能有密切关系。 弯曲损耗是由于光纤中部分传导模在弯曲部位成为辐射模而形成的损耗。它与弯曲半径成指数关系，弯曲半径越大，弯曲损耗越小。 微弯损耗是由于成缆时产生不均匀的侧压力，导致纤芯与包层的界面出现局部凹凸引起。损耗dB/km一般测试曲线理想测试曲线长波长窗口瑞利散射波导缺陷吸收紫外吸收红外吸收短波长窗口光 纤 色 散 光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不

4、同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。 色散使光纤传输的光脉冲会展宽，这种展宽作用最终会使相邻脉冲发生重叠，以致接受机不再能逐个区别相邻脉冲，因而出现判断错误，产生误码。 色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。光纤色散 色散的大小常用时延差来表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。11gddtVdc dk模式色散 模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。 阶跃型光纤的模式色散 在阶跃型光纤中，当光线端面的入射角小于端面临界角时，将在纤芯中形成全反

5、射。若每条光线代表一种模式，则不同入射角的光线代表不同的模式，不同入射角的光线，在光纤中的传播路径不同，而由于纤芯折射率均匀分布，纤芯中不同路径的光线的传播速度相同，均为，因此不同路径的光线到达输出端的时延不同，从而产生脉冲展宽，形成模式色散。阶跃型光纤中模式色散示意图 经过传播最短距离，单位长度的光纤传播时延t1最小,等于 光纤中路径最长的是以端面临界角入射的光线，它所产生的时延t2是最大时延，等于： 所以阶跃型光纤中不同的模式的最大时延差t为： 11ntC012101/sin/sinntC nC111121021(1)sinnnnntttCCC nC 材料色散材料色散是由于光纤的折射率随波

6、长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。对于谱线宽度为的光波，经过长度为L的光纤后，由材料色散引起的时延差为式中，C = 3108m/s,是真空中的光速, 是光源的谱线宽度22cLd nCd 波导色散 波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。 波导色散和材料色散都是模式的本身色散，也称模内色散。对于多模光纤，既有模式色散，又有模内色散，但主要以模式色散为主。而单模光纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散。常规常规G.655G.655大有效面积大有效面积G.655G.655G.653G

7、.653单模光纤（单模光纤（DSFDSF）1550nm1310nm色色散散p ps s/ /n nm m k km m普普通通光光纤纤( (S SM MF F) )非非色色散散位位移移光光纤纤（N ND DS SF F，G G. .6 65 52 2）已已有有光光纤纤的的 9 95 5% %波波长长 色色散散位位移移光光纤纤（D DS SF F, ,G G. .6 65 53 3）非非零零色色散散位位移移光光纤纤（N NZ ZD DS SF F, ,G G. .6 65 55 5）180D DW WD DM M波波长长范范围围正常色散区正常色散区反常色散区反常色散区 光纤标准和应用光纤标准和应

8、用 应用于中小容量、中短距离的通信系统。 是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31 m色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。 是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55 m色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。 其特点是在波长1.31 m色散为零，在1.55 m色散为1720 ps/(nmkm)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB/km以下。 其特点是在波长1.55 m具有大的负色散。 是一种改进的色散移位光纤。表2.3 光纤特性的标准光纤偏振 单模光纤的双折射 单模光纤只传输一个基模HE11，这个基模实际上由两个偏振方向互相垂直的HE11x和HE11y模构

9、成，这两个模式的电场各自沿着x和y方向偏振，实际传输的是两个正交偏振的模式。 对于均匀理想光纤，其截面上折射率的分布是均匀对称的，则HE11x和HE11y模式在各自方向上的传播常量相等， 即两个模式是简并模，但偏振状态则是在x和y两个方向成正交。 对于非均匀光纤，HE11x和HE11y模式的简并性受到破坏，引起方向传播常量 ，单模光纤出现双折射现象。xyxy式中，nx和ny分别为x-和y-方向的。 偏振模色散本质上是，由于模式耦合是随机的， 因而它是一个统计量。 目前虽没有统一的技术标准，但一般要求小于0.5ps/km。 由于存在，即使在色度色散C()=0的波长，带宽也不是无限大。 ：实际光纤不可避免地存在一定缺陷，如纤芯椭圆度和内部残余应力，使两个偏振模的传输常数不同，这样产生的时间延迟差称为。 取决于光纤的，由