光纤的传输特性

1、光纤的传输特性和非线性效应光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性，色散特性光纤的损耗特性*概念：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加光功率逐渐下降。衡量光纤损耗特性的参数：光纤的衰减系数（损耗系数），定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，单位为dB/ km。其表达式为：陀）= -121莘空 易式中求得波长在入处的衰减系数；Pi表示输入光纤的功率，Po表示输岀光功率，L为光纤的长度。（1）光纤的损耗特性曲线dB km?损耗直接关系到光纤通信系统的传输距离，是光纤最重要的传输特性之一。自光纤问世以来，人们在降低光纤损耗方面做了大量的工作，1.31卩m光纤的损耗值在 0 . 5dB/km以下，而1.55

2、卩m的损耗为0.2dB/km以下，接近了光纤损耗的理论极限。总的损耗随波长变化的曲线，叫做 光纤的损耗特性曲线一损耗谱。?从图中可以看到三个低损耗“窗口”：850nm波段一短波长波段、1310 nm波段和1550nm波段一长波长波段。目前光纤通信系统主要工作在1310 nm波段和1550 nm波段上。（2）光纤的损耗因素光纤损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗，还有来自光纤结构的不完善。这些损耗又可以归纳以下几种：1、光纤的吸收损耗光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，把光能以热能的形式消耗于光纤中，是光纤损耗中重要的损耗。 包括：本征吸收损耗；杂质离子引起的损耗；原子缺陷吸收损耗。2、光纤的散射

3、损耗光纤内部的散射，会减小传输的功率，产生损耗。散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纤材料内部的密度和成份变化而弓I起的。物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀，这种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。光在传输时遇到这些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生散射，弓I起损耗。另外，光纤中含有的氧化物浓度 不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射，产生损耗。3、波导散射损耗交界面随机的畸变或粗糙引起的模式转换或模式耦合所产生的散射。在光纤中传输的各种模式衰减不同，长距离的模式变换过程中，衰减小的模式变成衰减大的模式，连续的变换和反变换后，虽然各模式的损失会平衡起来，

4、但模式总体产生额外的损耗，即由于模式的转换产生了附加损耗， 这种附加的损耗就是波导散射损耗。要降低这种损耗， 就要提高光纤制造工艺。对于拉得好或质量高的光纤，基本上可以忽略这种损耗。4、光纤弯曲产生的辐射损耗光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。当弯曲半径大于510cm时，由弯曲造成的损耗可以忽略。另外还可以按以下损耗机理分类：分类引起原因影响本征损耗（光本征吸收红外吸收（分子振动引起）8-12卩m，对光纤通信影响不大紫外吸收（电子跃迁引起）0.7-1

5、.1卩m,对光纤通信有一定影响纤固有的损 耗，无法避免 决定光纤的 损耗极限）本征散 射瑞利散射（材料折射率的不均匀 性引起）长波长瑞利冃攵射减小非固有损耗（由材料和工艺引起）杂质吸 收过渡金属离子和离子影响较大离子的振动吸收造成0.95卩m, 1.24卩m, 1.39卩m处出现损耗峰波导散 射宏观上的不均匀可以通过改善制造工艺解决形成光纤损耗的原因很多，其损耗机理复杂，计算也比较复杂。降低损耗主要依赖于工艺的提 高、相对材料的研究等。零光纤的色散特性*概念：光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致信号畸变的一种现象。在数字光纤

6、通信系统中，色散使光脉冲发生展宽。严重时，会导致光脉冲前后相互重叠，造成码间干扰，增加误码率。所以光纤的色散不仅影响光纤的传输容量，也限制了光纤通信系统的中继距离。（1）光纤色散的表示法常用的表示方法有三种：1、色散系数D（入）：单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差，其公式为：D（兄）=在咲刃（ps Ihn ww）LA式中，“为单位长度光纤上的时延差，单位是ps/km ；是光源上的线宽，单位为nm。2、最大时延差厘厂：描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差，时延差越大色散越严重。3、光纤带宽：用光纤的频率特性来描述光纤的色散。经理论推导，光纤的带宽和时延差的关系为：441B =bn

7、）式中，B为光脉冲为高斯形，光功率下降 3dB时的光纤每公里带宽；厶匕是光脉冲传输1 km的时延差，单位是 ns/km。（2）光纤色散的种类1、模式色散多模传输时同一波长分量的各种传导模式的相位常数不同，群速度不同，引起到达终端的光脉冲展宽的现象。离轴心较近的折射率大，因而所以渐变型多模光纤的模式对于渐变型光纤，由于离轴心较远的折射率小，因而传输速度快。 传输速度慢。结果使不同路程的光线到达输出面的时延差近似为零, 色散较小。对于多模光纤，模式色散通常占主导地位。单模光纤只存在一个模式，所以，单模光纤没有模式色散。2、材料色散光纤材料的折射率随频率（波长 ）而变，可使信号的各频率（波长 ）群速

8、度不同引起色散。比脉冲材料色散因同一模式内不同波长的光波的锲播邃度不同.从啲产牛賦冲展宽*引起材料色散材料色血咏冲痕乜3、波导色散模式本身的色散。即光纤中某一种导波模式在不同的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散。波导色散是光纤波导结构参数的函数。（U ni）Dm为材料色散，Dw为波导色散?图为单模石英光纤中材料色散、波导色散及总色散与波长的关系。总色散为材料色散、波导色散的近似相加。?从图中可以看到，在某个特定波长下，材料色散和波导色散相抵消，总色散为零。对普通的单模光纤。总色散为零的波长 1.31卩m这意味着在这个波长传输的光脉冲不会发生展宽。在波长1.55卩m虽然损耗最低，但在该

9、波长上的色散较大，如将零色散波长1.31卩m移到1.55卩m这就是色散位移光纤(DSF)。?这种低损耗色散的光纤，对长距离大容量光纤通信系统十分有利。显然，为了把零色散波长从1.31卩m移到1.55卩m可以增加波导色散的绝对值。(3) 非色散位移单模光纤、色散位移单模光纤1、非色散位移单模光纤 ITU-T G.652G.652称为非色散位移单模光纤，也称为常规单模光纤，其性能特点是：在 1310nm波长处的色散为零；在波长1550nm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km， 但在155Onm附近其具有大色散系数，为17ps/(nm ?km)；这种光纤工作波长既可 选在1310nm波长区域，又

10、可选在1550nm波长区域，它的最佳工作波长在1310nm 区域；G.652光纤是当前使用最为广泛的光纤。2、色散位移单模光纤 ITU-T G.653G.653称为色散位移单模光纤。色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将零色散点从1310nm位移到1550nm 实现155 Onm处最低衰减和零色散波长一致。这种光纤工作波长在 1550nm区域。 它非常适合于长距离、单信道光纤通信系统。光纤的非线性特性*(1)分类：1、受激散射效应：光通过光纤介质时，有一部分能量偏离预定的传播方向，且光波的频率发生改变，这种现象称为受激散射效应。有两种形式：受激布里渊散射和受激拉曼散射。2、折射率扰动：光功率较