第三章第三章 光纤的传输特性光纤的传输特性光纤的主要特性传输特性 损耗 色散光学特性 折射率分布 数值孔径 芯径 外径 偏心度椭圆度几何尺寸机械特性温度特性光纤的传输特性光纤的传输特性光纤在光纤通信系统的主要作用是完成光能量的传输，所以在光纤通信原理课程里我们最关心光纤的传输特性光纤的传输特性主要有两部分，光纤的损耗特性和色散特性一、一、光纤的损耗特性光纤的损耗特性光纤损耗吸收损耗本征吸收杂质吸收原子缺陷吸收紫外吸收红外吸收氢氧根（OH）吸收过渡金属离子吸收瑞利散射损耗结构不完善引起的散射损耗散射损耗弯曲损耗光纤弯曲损耗光纤微弯损耗1.吸收损耗吸收损耗 本征吸收本征吸收吸收损耗吸收损耗 紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收氢氧根氢氧根(OH)OH)吸收吸收过渡金属离子吸收过渡金属离子吸收原子缺陷吸收原子缺陷吸收杂质吸收杂质吸收紫外吸收：紫外吸收：光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子激发到高能级时，光子流中的能量将被电子激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起光信号的损耗吸收，从而引起光信号的损耗这种损耗对于波长小于这种损耗对于波长小于0.4m的紫外区中的紫外区中的光波表现得特别强烈，形成紫外吸收带。
的光波表现得特别强烈，形成紫外吸收带它的吸收损耗曲线已延伸到光纤通信波段它的吸收损耗曲线已延伸到光纤通信波段(即即0.81.7m波段波段)在短波长范围内，引在短波长范围内，引起光纤损耗小于起光纤损耗小于0.1dB/km红外吸收：红外吸收：光纤中传播的光波与晶格相互光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波量传递给晶作用时，一部分光波量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起光格，使其振动加剧，从而引起光信号的损耗信号的损耗这种吸收损耗对于红外区中这种吸收损耗对于红外区中2m以上的光波表现得特别强烈以上的光波表现得特别强烈1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.90.010.020.030.050.10.20.30.51.0紫外吸收损耗红外吸收损耗瑞利散射损耗波长(m)损 耗(dB)SiO2-GeO2材料制成的单模光纤，在1.55m波长处测得的损耗仅为0.2dB/km 光纤中的铁、钴、镍、铜、锰、光纤中的铁、钴、镍、铜、锰、铬等和氢氧根铬等和氢氧根(OHOH)在光纤传输的电在光纤传输的电磁场磁场(光波光波)的作用下产生振动，因而的作用下产生振动，因而吸收一部分光能，引起损耗。
吸收一部分光能，引起损耗它们的影响可以随杂质浓度的降它们的影响可以随杂质浓度的降低而减小，直到清除降低材料中的低而减小，直到清除降低材料中的过渡金属离子比较容易，目前已可以过渡金属离子比较容易，目前已可以使它们的影响减小到最小程度使它们的影响减小到最小程度杂质吸收：杂质吸收：OH振动吸收影响较大在0.62.73m的波长范围内产生若干吸收峰当降到0.81.0ppb(10-9)时，在整个0.71.6m波谱范围内，其吸收峰基本消失，得到如图虚线所示的曲线1.31m波长 窗口和1.55m波长窗口不再被OH吸收峰隔开因而得到 一个很宽的低损耗波长窗口，有利于 波分复用OH吸收损耗吸收损耗 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 (m)OH吸收峰512346OH吸收造成的光纤损耗原子缺陷吸收：原子缺陷吸收：通常在光纤的制造过程中，光纤材料受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起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。
左右原子缺陷吸收，可以通过选用合适的制造工原子缺陷吸收，可以通过选用合适的制造工艺、不同的掺杂材料及含量使之减小到可以艺、不同的掺杂材料及含量使之减小到可以忽略不计的程度忽略不计的程度2.散射损耗散射损耗线性散射损耗线性散射损耗散射损耗散射损耗非线性散射损耗非线性散射损耗瑞利散射瑞利散射结构不完善散射结构不完善散射瑞利散射瑞利散射：在光纤的制造过程中，热骚动使原子产生压缩在光纤的制造过程中，热骚动使原子产生压缩性的不均匀性或压缩性的起伏，这使物质的密度不性的不均匀性或压缩性的起伏，这使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀这些不均匀尺寸比光均匀，进而使折射率不均匀这些不均匀尺寸比光波长还小当光纤中传播的光照在这些不均匀微粒波长还小当光纤中传播的光照在这些不均匀微粒上时，就会向各个方向散射，这种造成散射的粒子上时，就会向各个方向散射，这种造成散射的粒子尺寸比波长小得多时的散射称为瑞利散射瑞利散尺寸比波长小得多时的散射称为瑞利散射瑞利散射引起的损耗与射引起的损耗与4 4成正比结构不完善引起的散射：结构不完善引起的散射：在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因在光纤制造过程中，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不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等等。
这些结构上不完善处的尺寸远大于光波波长，引起与波长无这些结构上不完善处的尺寸远大于光波波长，引起与波长无关的散射损耗关的散射损耗传播波传播波模变换后模变换后的传播波的传播波纤芯纤芯包层包层辐射模辐射模非线性散射损耗非线性散射损耗 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在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一旦入射光功率超过阈值，散射光强将呈指数增长系统采用波分复用和掺铒光放大器（EDFA）时，一定要考虑这两种散射损耗的影响3.弯曲损耗弯曲损耗 弯曲损耗弯曲损耗光纤弯曲损耗光纤弯曲损耗光纤微弯损耗光纤微弯损耗 光纤弯曲时会造成模式转换，如低阶模变为高阶模时，传输光纤弯曲时会造成模式转换，如低阶模变为高阶模时，传输路径增加，损耗增大；若导模转换为辐射模时，造成辐射损耗路径增加，损耗增大；若导模转换为辐射模时，造成辐射损耗为了尽量减小这种损耗，施工过程中严格规定了光纤光缆的为了尽量减小这种损耗，施工过程中严格规定了光纤光缆的允许弯曲半径，使弯曲损耗降低到可以忽略不计的程度允许弯曲半径，使弯曲损耗降低到可以忽略不计的程度。
光纤弯曲：光纤弯曲：曲率半径比光纤的直径大得多曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯就叫弯曲的弯曲，我们习惯就叫弯曲光纤微弯：光纤微弯：由于光纤受到侧压力和套塑光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层和套塑的热膨胀系数不一致而引起的光纤轴产生微米级的弯曲称为起的光纤轴产生微米级的弯曲称为微弯其损耗机理和弯曲一致，也微弯其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起的是由模式变换引起的本征损耗本征吸收本征散射瑞利散射红外吸收紫外吸收 光纤的最低理论衰减值是由本征损耗决定的 典型光纤损耗曲线典型光纤损耗曲线0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 0.010.020.050.10.20.51.02.05.01020紫外吸收紫外吸收波导不完善波导不完善瑞利散射瑞利散射短波长窗口短波长窗口OH吸收峰吸收峰一般测试曲线一般测试曲线红外吸收红外吸收长波长窗口长波长窗口即将做到的曲线即将做到的曲线波长波长(m(m)损耗损耗dB/KmGeO2P2O5SiO2光纤的损耗谱光纤的损耗谱4.光纤损耗系数光纤损耗系数 v传输单位长度（1Km）光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用表示损耗系数，单位是dB/Km /lg1021KmdBPPLKmdBLPP/21二、光纤的色散二、光纤的色散色散是一个古老的物理概念。
在物理学中，它是指不同颜色的光经过某种透明介质后被分散开的现象1白光红光紫光光纤的理论损耗：光纤的理论损耗：光纤的最低损耗值光纤的最低损耗值单模光纤单模光纤（=0.2%=0.2%）多模光纤多模光纤（=0.2%=0.2%）波波 长长（m m）理论极限值理论极限值（dB/kmdB/km）已达到的最低值已达到的最低值（dB/kmdB/km）理论极限值理论极限值（dB/kmdB/km）已达到的最低值已达到的最低值（dB/kmdB/km）0.851.91.92.52.121.310.320.350.440.421.550.180.200.220.23光纤的色散光纤的色散在光纤中，光信号是由很多不同的成在光纤中，光信号是由很多不同的成份（如不同模式、不同频率）组成的，由份（如不同模式、不同频率）组成的，由于信号的不同成份的传播速度不同，经过于信号的不同成份的传播速度不同，经过光纤传输一段距离后，不同成份之间出现光纤传输一段距离后，不同成份之间出现时延差，从而引起信号畸变，这种现象称时延差，从而引起信号畸变，这种现象称为色散脉冲展宽脉冲展宽T光脉冲信号中的不同成份在光纤中的光脉冲信号中的不同成份在光纤中的传输速度不同，导致脉冲信号传输后展传输速度不同，导致脉冲信号传输后展宽甚至离散。
宽甚至离散光纤色散效应对传输的影响光纤色散效应对传输的影响1 0 1 0 1 0 1 1 0 11 0 1 0 1 0 1 1 0 1InputOutput脉冲展宽 (ps)=D(ps/nm*km)*(nm)*L(km)TimeTime脉冲展宽脉冲展宽 1/4 比特周期时会引起误码比特周期时会引起误码 色散的分类色散的分类 模式色散模式色散 材料色散材料色散 波导色散波导色散 极化色散极化色散 多模光纤中以模式色散为主，单模光多模光纤中以模式色散为主，单模光纤中不存在模式色散纤中不存在模式色散1.模式色散模式色散模模式式色色散散一一般般存存在在于于多多模模光光纤纤中中因因为为，在在多多模模光光纤纤中中同同时时存存在在多多个个模模式式不不同同模模式式沿沿光光纤纤轴轴向向的的传传播播速速度度不不同同，到到达达终终端端时时就就有有先先有有后后，出出现现时时延延差差，因因而而引引起起脉脉冲冲展展宽宽时延差越大，色散越严重，所以常用时延差来表示色时延差越大，色散越严重，所以常用时延差来表示色散的程度散的程度阶跃型光纤模式色散阶跃型光纤模式色散C Cn1n2L阶跃型光纤的模式色散根据几何光学，光线和沿轴线方根据几何光学，光线和沿轴线方向的传播速度分别为向的传播速度分别为1nc和和cncqsin1。
因因此光纤的模式色散此光纤的模式色散 为：为：=cLnnncLnncLncLcM1211111sinq 如果如果1%，石英的纤芯折射率，石英的纤芯折射率n11.5，则则L1Km长的光纤的模式色散长的光纤的模式色散(模时延差模时延差)M50ns 阶跃型光纤模式色散阶跃型光纤模式色散渐变型光纤模式色散渐变型光纤模式色散oMNPrz0V(r)210212=arnrn抛物型光纤（2）：qcos)(coscos110rnnno=cos1)(cos)0(2020drrnnMr=dr sin)(cos)(2sincos2120000=MMMrrrprnrndrdrtgdzOPq cos2acos)0()(cos2000220q=drnrnMr 2cos1)0(2sin)(12020=nCadrrvTMr coscos1)0(21002=CLnTOPLt)cos-)(1cos(121)cos-(1212n(0)NAsin1sin)0(sin10002000=n0cos1q最小的时延是光线沿光纤轴心（即最小的时延是光线沿光纤轴心（即00）传播传播时所需的时间，即：时所需的时间，即：)0(minCLnt=)0(212minmax=CLnttM 2)0(22）（=CLnMCLnCLnt)0()0(212maxT啁啾效应啁啾效应直接调制激光器输出信号带有较大的啁啾，使得脉冲直接调制激光器输出信号带有较大的啁啾，使得脉冲频谱展宽并在前后沿产生频谱红移和蓝移，在光纤色频谱展宽并在前后沿产生频谱红移和蓝移，在光纤色散的作用下，引起脉冲的快速展宽和信号劣化。
散的作用下，引起脉冲的快速展宽和信号劣化2.材料色散材料色散光纤材料的折射率随光波长的变化而光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，从而引起脉冲展宽的现象称为变化，从而引起脉冲展宽的现象称为材料色散材料色散材料色散的具体表达式可以根据群速材料色散的具体表达式可以根据群速 度定义式导出度定义式导出一般情况下，往往是一般情况下，往往是 用色散系数这个物理量来衡量用色散系数这个物理量来衡量色散色散 系数的定义为单位谱线宽度的光源发系数的定义为单位谱线宽度的光源发 出的光入射到光纤中，传播单位距出的光入射到光纤中，传播单位距 离所引起的色散即：离所引起的色散即：)(ddD=ddvg=11000dkdCddkdkdddvg=21)(220200=dkdCddkdkdddD定义归一化传播常数定义归一化传播常数b为：为：2221202220222nnknkVWb=CCTk=22 -1 21 2110102110212221202220bnnnkbnkbnkbnnknk=-N-NN 00212110200100100dkdbknnbdkbnkddkbnkddknkddkd=式中：式中：02020101dknkdNdknkdN=、纤芯和包层的群折射率纤芯和包层的群折射率 弱导光纤：弱导光纤：21020102121nndkdndkdnknnNN=同时：同时：dVdbkVdkdVdVdbdkdb=000 211212110dVVbdNNNdVdbVNNNNbNdkd=22210nnkV=-N-NN00212110dkdbknnbdkd=22021021012110202 dVVbdkVNNdVVbddkNNddkdNdVVbdNNNdkddkd=2202101dVVbdkVNNdkdN=220210122)(dVVbdkVNNdkdNCD得：221212dVVbdVCndndC=D（）分为两部分，第一项是由于纤芯材料的折射率随波长的变化而变化，故称为材料色散系数，用Dm（）表示 )(212dndCDm=材料色散系数（ps/nm.Km）0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 波长（m）50050100150200SiO2的材料色散系数与波长的关系一根光纤的色散系数可能是正数，也可能是负数。
一根光纤的色散系数可能是正数，也可能是负数mmDL=材料色散：材料色散：其中其中是光源谱宽，是光源谱宽，L为传播的距离，为传播的距离，为材料色散为材料色散 如果入射到光纤的是一窄脉冲，如果入射到光纤的是一窄脉冲，()用以表示群时延，则用以表示群时延，则=22mL1L2正色散光纤正色散光纤负色散光纤负色散光纤光纤中光脉冲宽度的变化情况光纤中光脉冲宽度的变化情况这就是光纤色散补偿原理这就是光纤色散补偿原理3.波导色散波导色散 221dVVbdVCnDw=)()(LDww=波导色散波导色散(W)是由光纤的几何结构决定的色是由光纤的几何结构决定的色散，故也称为结构色散散，故也称为结构色散Wm色度色散色度色散光纤中的光传输可描述成完全是沿光纤中的光传输可描述成完全是沿X X轴振动和轴振动和完全是沿完全是沿Y Y轴振动或一些光在两轴上的振动轴振动或一些光在两轴上的振动每个振动轴代表一个偏振每个振动轴代表一个偏振“模模”两个偏振模的到达时间差两个偏振模的到达时间差偏振模色散偏振模色散PMDPMD光纤光纤PMDPMD环境因素和工艺缺陷引起的纤芯椭圆及应环境因素和工艺缺陷引起的纤芯椭圆及应力是引起力是引起PMDPMD的主要因素的主要因素 _CnnLxypPMD引起脉冲引起脉冲展宽（随机性）展宽（随机性）光纤光纤PMDPMD由光纤的双折射引起由光纤的双折射引起,诸如应力、弯曲、诸如应力、弯曲、扭绞、温度等随机引入扭绞、温度等随机引入产生信号间干扰产生信号间干扰;偏振相关损耗产生的二次效应可能产生偏振相关损耗产生的二次效应可能产生PMDPMD与色度色散之间的耦合，从而增加色与色度色散之间的耦合，从而增加色散的统计分量散的统计分量;解决办法之一是改进光纤工艺或在系统输解决办法之一是改进光纤工艺或在系统输入输出端插入偏振控制器。
入输出端插入偏振控制器总色散总色散模式色散模式色散 材料色散材料色散 波导色散波导色散PMDPMD222)(pwmM=22)(pwm=多模光纤：多模光纤：单模光纤：单模光纤：色散容限色散容限色散对系统传输距离的影响由色散对系统传输距离的影响由色散容限参数值色散容限参数值（Ds)Ds)表示Ds/DDs/D为受限距离为受限距离:如如:光源色散容限值光源色散容限值Ds=12800ps/nm,SMFDs=12800ps/nm,SMF（G.652G.652）光纤的色散参量值取光纤的色散参量值取D=20ps/km/nmD=20ps/km/nm，则该光源的色则该光源的色散受限距离为散受限距离为640 640 kmkm三、光纤带宽三、光纤带宽光纤的色散和带宽描写的是光纤的同光纤的色散和带宽描写的是光纤的同一特性色散色散是这一特性在时域中的表是这一特性在时域中的表现，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时现，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间座标轴上展宽了多少间座标轴上展宽了多少带宽带宽是这一特是这一特性在频域中的表现性在频域中的表现光纤的色散和带宽对通信容量的影响光纤的色散和带宽对通信容量的影响输入f振幅输出 fC f振幅光纤带宽（f为调制信号频率）0.51 30lg01dBPfPc光光 60lg200lg200lg10dBPfPIfIPfPccc光光电电电电=3dB光带宽对应于光带宽对应于6dB电带宽电带宽 1、色散与带宽的关系、色散与带宽的关系（t）t=0h h（t）t=t0超窄脉冲在光纤中传播展宽超窄脉冲在光纤中传播展宽h（t）接近高斯函数 2exp2122=tth定义半高全宽度为信号的脉冲宽度 2ln22 2122exp22=j21-exp22-exp 2exp21 exp2exp2122222222dttdttjtdttjtH=2exp22=H 212exp232=dB 22ln22ln2212233=dBdBB 441.02ln23=dBTBB也可以用光纤输入端的脉冲半高全幅宽度和光纤输出端的脉冲半高全幅宽度2来近似表示:2122=22wmM=脉冲展宽也可以用光纤中的总色散来表示:练习题1、P68第2题。
2、一光纤通信系统的发射功率1mW，最小接收功率（灵敏度）1uW，根据图3-5估算1310和1550两种波长的最大传输距离3、Consider a single mode optical fiber as in the figure,excited by a laser:1.5um wave length,2 nm linewidth.(1)with 2a=8um,dispersion per km=?(2)2a=?For zero chromatic dispersion.(3)estimate the bandwidth for 2a=8um,transmit distance 100km。