光纤通信-光纤课件

1、光纤

2月18~25日《光纤通信系统》1.1引言；1.2光纤p2~26；3.3光纤的物理限制p109~121《光纤通信(第三版)》第2章光纤：结构、波导原理和结构p18~62第3章光纤中的信号劣化p71~105《非线性光纤光学原理及应用》上篇第2章脉冲在光纤中的传输p21~36第3章群速度色散p41~622023/1/411、光纤 2月18~25日《光纤通信系统》2022/121、光纤

《光纤通信（第三版）》p18主要问题1、光纤具有哪些结构2、光在光纤中的传播方式3、构成光纤的材料4、光纤的制造工艺5、光缆的基本构成6、光信号在光纤中的损耗机理7、光信号在光纤中的失真机理和度量2023/1/421、光纤 《光纤通信（第三版）》p18主要问题2022/121、光纤

概况1、光纤是一种横截面为圆形的电磁波介质导波系统，可以采用射线光学法或经典电磁场理论求解。2、目前，在商业通信线路中广泛使用的光纤是石英系光纤，它的主要成分是纯度高达99.99999％的SiO2。目前光纤的传输损耗大约为0.2~0.4dB/km，是人类已知的导波传输系统中传输损耗最小的一种。3、按工作模式分类：多模，单模4、按折射率分布特征分类：渐变折射率分布，阶跃折射率分布5、其他：色散补偿光纤，光子晶体光纤，空心光纤，掺饵、镨、氟光纤。2023/1/431、光纤 概况1、光纤是一种横截面为圆形的电磁波介质导波2023/1/441、光纤

概况1、通信容量极大从理论上讲，石英系光纤在1.3m和1.5m的两个低损耗窗口都可以用于通信，其总带宽资源约为1.21014Hz，通信容量十分巨大。目前人们已经利用的光纤带宽资源还不到其全部资源的1%，尽管这样，人们已经可以在一对光纤上传输上百万甚至上千万路双向数字电话。因此可以肯定，光纤的通信容量是其它任何传输媒质都无法比拟的。在近20年来，商用光纤通信系统的传输速率从45Mb/s增加到N10Gb/s(N为8，16，32)，提高了数千倍，比同期微电子技术集成度的发展速度还快。1.2m~1.6m1.21014Hz1.21014Hz/64kHz~19亿路电话2022/12/2741、光纤 概况1、通信容量极大1.1、光纤 概况2、损耗小，中继距离长在所有已知的导行电磁波传输媒质中，光纤的传输损耗最小。其中常规单模光纤（G.652）的传输损耗约为0.2dB/km，即光信号每传输15km功率才下降1/2。目前商用光纤通信系统的中继距离为50~100km，如果采用光纤放大器和孤子技术可以使光纤通信的无再生中继距离达到几百甚至几千km。3、光纤通信的抗干扰性和保密性极好光纤是一种特殊的导波传输媒质，其所传输的信号是严格限制在光纤内部传输的，外界电磁信号和光信号几乎不能对光纤内部的信号造成干扰。这就使光纤传输系统具有良好的抗干扰性和保密性。4、光纤中几乎没有背景噪声光纤是一种背景噪声极低的传输媒质，因此，光信号经光纤中传输后，信噪比基本保持不变。2023/1/451、光纤 概况2、损耗小，中继距离长2022/12/271、光纤 概况5、重量轻、成本低、资源丰富除去保护层外，光纤的直径仅有125m，因而重量极轻，便于储存、运输和架设。光纤的主要成分是高纯度的SiO2，SiO2是地球上的资源最丰富的化合物。它占地壳物质的59%，占已知岩石主要成分的95%以上，是人类取之不尽，用之不竭的资源。2023/1/461、光纤 概况5、重量轻、成本低、资源丰富2022/121、光纤 概况圆波导的模式理论光纤的光学特性可以用几何光学法来分析。由于光是电磁波，因此，光在光纤中的传输特性也可以用电磁场理论的方法来分析。两种方法各有其优点和局限性，几何光学法简明扼要，但只能给出光纤的光学特性(适用于分析多模光纤)；电磁场理论的方法比较繁琐，但可以给出光纤的传输特性和工作模式。一、光的反射、折射、全反射定性地讲，光信号在光纤中的传输依赖于纤芯与包层界面上的全反射现象。当入射光波的入射角大于临界角时，光波将会在介质分界面上发生全反射。如果光波在光纤纤芯和包层的分界面上发生全反射，就在光纤中形成了导行光波。因此，光波的全反射条件就是光纤中光波的传输条件。2023/1/471、光纤 概况圆波导的模式理论2022/12/2771、光纤 概况当一束光在光纤中满足全反射定律时，就能在光纤中有效地传播。在几何光学中光波被视为光线，而能在光纤中传输的光线可分为两大类：子午光线和斜射线。子午光线的入射平面与光纤的轴线相重合。子午光纤每反射一次都将与光纤轴线相交一次。由此可以看出，子午光线在光纤中传播时始终保持在一个平面上。光纤中传输的其它射线都是斜射线。斜射线的特点是其在光纤中的传输路线呈螺旋型。由于斜射线的情况比较复杂，用几何光学的方法研究光纤的光学特性时，我们通常只考虑子午光线。因此，采用几何光学的方法分析、研究光纤传输特性就存在一定的局限性。2023/1/481、光纤 概况当一束光在光纤中满足全反射定律时，就能在光1、光纤 基本结构和特性参数光纤是一种介质波导，它的传输特性和分析方法与金属圆波导有相似之处。光纤的主要技术特性包括：光学特性：几何结构特性，剖面折射率分布(剖面指数)，数值孔径；传输特性：模式，截止频率，色散，归一化频率等等。光纤的传输特性可以用几何光学法来分析，也可以用电磁场理论的方法来分析。两种方法各有其优点和局限性，几何光学法简明扼要，但只能给出光纤的光学传输特性(适用于分析多模光纤)；电磁场理论的方法比较繁琐，但可以给出光纤的传输特性和工作模式。2023/1/491、光纤 基本结构和特性参数光纤是一种介质波导，它的传输1、光纤 基本结构和特性参数光纤由纤芯、包层、涂敷层及套塑四部分组成。纤芯位于光纤的中心，主要成份是SiO2，纯度高达99.99999％，其余成份为掺杂剂。光纤纤芯的直径一般为5~50m，其折射率略大于包层的折射率，通常是在纤芯中掺入五氧化二磷(P2O5)或二氧化锗(GeO2)以提高纤芯的折射率。包层在纤芯外围，其主要成份也是二氧化硅，直径一般为125m，可以在包层中掺入氟或硼以降低包层的折射率。在光纤中掺杂可以改变光纤的传输特性。例如，在光纤中掺杂可以调整光纤的色散特性；在光纤中掺入铒或氟可以制成光纤放大器等等。包层的外面是一层很薄的涂敷层，作用是提高光纤的机械强度。涂敷材料可用环氧树脂、硅橡胶等。涂敷层外还可以加玻璃纤维和套塑，以便增加光纤的机械强度。2023/1/4101、光纤 基本结构和特性参数光纤由纤芯、包层、涂敷层及套1、光纤 制造工艺光纤的制造工艺：首先制造光纤预制棒，其主要工艺需分三步：1、制造一个化学纯度很高的石英玻璃管。2、采用化学气相沉积法或其它方法，在石英玻璃管内形成高纯度并有特定掺杂的SiO2沉积层。3、将光纤预制棒加热拉伸就可以制成光纤，根据设备和工艺的条件，一般光纤的长度为1~100km。2023/1/4111、光纤 制造工艺光纤的制造工艺：首先制造光纤预制棒，其2023/1/4122022/12/27122023/1/413按照光纤纤芯和包层内的折射率分布情况，光纤可分为阶跃型光纤(SI—StepIndexFiber)和渐变型光纤(GI—GradedIndexFiber)两大类。1、光纤

光学特性2022/12/2713按照光纤纤芯和包层内的折射率分布情况2023/1/414其中：a为光纤的纤芯半径、

=(n1n2)/n1为光纤的相对折射率差、为光纤的剖面指数。剖面指数是光纤的一个重要结构参数，当

时，光纤为阶跃型光纤；当

=2时，光纤为抛物线型光纤；当的取值约等于2时，光纤即称为梯度型或渐变型光纤。(n1，n2

1.50~1.52)阶跃型光纤的生产工艺简单，生产成本低。目前商用光通信系统中采用的主要都是阶跃型单模光纤。渐变型光纤的信号失真（色散）比阶跃型光纤的信号失真小，因而其通信容量较大、中继距离较长。（思考题：为什么？）1、光纤

光学特性光纤的折射率分布可表示为（实验拟合）：2022/12/2714其中：a为光纤的纤芯半径、=2023/1/415按照光纤中传输模式的多少，光纤又可分为多模光纤(MM—MultiModeFiber)和单模光纤(SM—SingleModeFiber)。(1)多模光纤多模光纤剖面的折射率分布有阶跃型和渐变型两类，其中传输的模数量为：式中：a为光纤的纤芯半径(标准多模光纤2a

50m，标准单模光纤2a

5~8m)、为光纤的折射率差、为光纤的剖面指数，k=2/0为波数(传播常数)、n1

为光纤纤芯的折射率(1.51)。a、、、n1统称为光纤的结构参数。若N<2，01.55m，

，

0.2~0.5%，可得2a

5.52~10.4m当光源的工作频率一定时，光纤的结构参数越大，光纤中存在的模式数量就越多。(金属波导：微波源波长一定，波导横截面越大，波导中的模式越多。)1、光纤

工作模式2022/12/2715按照光纤中传输模式的多少，光纤又可分2023/1/416(2)单模光纤单模光纤中只传输最低模式的光波。对于目前光通信系统中的光源而言，实现单模光波传输的条件要求光纤的芯径2a为5~10微米之间。由于单模光纤芯径太细，目前的工艺水平还不能将其制成渐变型光纤，因此，单模光纤的折射率分布只有阶跃型一种。光属于电磁波，光纤也是一种波导。光纤中多模、单模的概念与微波波导理论中单模、多模的概念完全相同。根据微波波导理论中模式数目和模式截止的概念可以断定，光纤芯径越细，工作模式越少。1、光纤

工作模式2022/12/2716(2)单模光纤1、光纤 工作模2023/1/417在实际应用中光纤必须与光源相耦合，光纤对光能量的接收能力是我们非常关心的问题。如图所示，假设一束平行光束经透镜聚焦后注入光纤，由于各光线的入射角不同，并非所有的光线都能在光纤中满足全反射条件，而只有那些满足全反射条件的光线才能在光纤中有效传输。显然，能够满足全反射条件的光线，在空间形成了一个立体角，光纤的数值孔径(NA)直接反映了这个立体角的大小，从而描述了光纤接收光的能力。数值孔径是光纤的两个主要光学特性参数之一。1、光纤

数值孔径（NA）2022/12/2717在实际应用中光纤必须与光源相耦合，光2023/1/418设入射光A满足传输条件，应有：sin

n2/n1

，

的最小值为：

sinc=n2/n1

c=arcsin(n2/n1)根据折射定律，在光纤的入射端面上：其中n0=1，则： sin0=n1

cos由图可见，0的最大值反映了光纤对光能量的接收能力，1、光纤

数值孔径（NA）2022/12/2718设入射光A满足传输条件，应有：s2023/1/419a和0max反映了光纤接收光的能力的大小。从几何光学的角度看，并不是所有入射到光纤断面的光线都能在光纤中满足全反射条件。只有那些与光纤轴线夹角小于a的入射光，才能在光纤中形成传导模而长距离传输。sina就称为光纤的数值孔径NA。引入近似条件：n1+n2

2n1，以及相对折射率差=(n1

n2)/n1，则有：1、光纤

数值孔径（NA）2022/12/2719a和0max反映了光纤接收光2023/1/420显然，光纤的数值孔径(NA)与其相对折射率差有关。越大，NA越大，光纤捕捉光线(聚光)的能力就越强。从光源与光纤耦合的角度看，越大越好，因为这有利于提高光源与光纤的耦合效率。一根没有外包层的玻璃纤维，不但聚光能力较强，也确实可以传输光波，但是，由于它的色散特性极差，我们不能用它来传输高速率的光信号。因此作为传输高速率光信号的光纤，不能无限制地增大值。上图定性地说明了，在光纤中传输的光线由于经过路径不同，它们沿光纤轴向的群速度也不同。1、光纤

数值孔径（NA）2022/12/2720显然，光纤的数值孔径(NA)与其2023/1/421所以光纤的相对折射率差越大，则各光线的群速度差就越大。根据色散的物理意义我们知道，vg1与vg2的差值越大则色散越严重。也就是说，增大会使光纤的色散指标和带宽指标恶化。实用光纤的相对折射率差

<1%，通常称为弱导光纤。实用的常规石英系光纤的

0.3%。国际电信联盟(ITU-T)规定：光纤的数值孔径NA的取值范围是0.15~0.24，允许误差为的0.02。vg1=c

vg2=csinc=cn2/n1

=c(1

)

1、光纤

数值孔径（NA）2022/12/2721所以光纤的相对折射率差越大，则各光线图1.5所示的条形波导厚度为d，宽度远大于d。更适合于讨论半导体激光器的谐振腔。公式(1.69)为条形波导的单模工作条件。若：=1.5m，n=1.5，=0.1%，d=22.5m即V=5，根据表1.1和1.2可知条形波导单模工作条件为： 1.31<kd<2.60 k为方程(1.24)的本征值公式(1.72a)为弱导光纤的单模工作条件：???<V2.405若：=1.3~1.5m，n=1.51，=0.2~0.5%，根据公式(1.60)，可得光纤的纤芯直径2a=6.6~12.4m。实际单模光纤的纤芯直径2a=5~8m。 2023/1/4221、光纤

《光纤通信系统》1.2光纤p2~26图1.5所示的条形波导厚度为d，宽度远大于d。更适合于讨2023/1/423光纤的色散也是光纤传输特性的主要特性指标。色散是高速率信号长距离传输的主要障碍之一。研究光纤色散的原因，减小色散的影响，对于提高通信容量、增加中继距离具有重要意义。因为在光纤中传输的光波依赖于光纤纤芯和光纤包层间界面的全反射现象，按不同的全反射角传输的光线具有不同的轴向群速度，这说明在光纤中传输的光波都是色散波。色散波的一个特点是其群速度与工作频率有关，也就是说不同频率的光波具有不同的群速度。当我们要利用光波传输信号时，必然要对光波进行调制，调制后的光波具有一定的频谱宽度。按照调制信号的富里叶展开式可知，信号中包含一系列频率分量。由于不同频率的分量具有不同的群速度，那么，从发射端出发的信号到达接收端时将产生波形失真。当传输的信号码率较高时，相邻的码可能由于波形失真而发生重叠，这样就会形成误码。1、光纤

色散2022/12/2723光纤的色散也是光纤传输特性的主要特性2023/1/424右图定性地描述了色散使得信号脉冲被展宽的现象，以及脉冲展宽后可能造成误码的原因。为了防止色散效应造成系统误码，1)可以加大相邻脉冲的间隔，但这将降低光纤通信系统的传输码率，也就降低了光纤通信系统的传输容量；2)也可以减小中继距离，也就是在信号脉冲还未被展宽到可能造成误码之前，将信号重新整形后再发送出去。1、光纤

色散2022/12/2724右图定性地描述了色散使得信号脉冲被展2023/1/425光纤的色散是目前制约光纤通信系统中继距离和通信容量的主要因素之一，对光纤通信系统总体指标的提高十分有害！光纤色散的机理主要有四类：模式色散，材料色散，波导色散和频率色散(色度色散)。另外，当光纤通信系统的单通道传输码率超过10Gbit/s后，偏振模色散的影响也必须加以考虑。光波是电磁波，因此，光纤中模式色散的概念与波导中模式色散的概念完全相同。减小模式色散的方法就是在光纤中实现单模传输。要实现光纤的单模传输，必须知道光纤中各模式的截止频率，必须求出单模传输条件。这个问题只有采用场解法才能解决。材料色散是由于纤芯材料对不同的光波波长具有不同的折射率。光在光纤中的传播速度为v=c/n1()，所以不同波长的光波具有不同的群速度。1、光纤

色散2022/12/2725光纤的色散是目前制约光纤通信系统中继2023/1/426波导色散的形成与色散波的传播常数有关。因为色散波的传播常数与工作波长和波导几何结构参数有关，所以光纤中不同频率分量的光信号的群速度差（即色散）就与光纤的几何结构以及相对折射率差有关。就当前多模光纤的制造工艺而言，波导色散相对于材料色散已经很小，因此对于多模光纤可以忽略波导色散。1、光纤

色散2022/12/2726波导色散的形成与色散波的传播常数2023/1/427模式色散在原则上可以通过实现单模传输来避免，而频率色散和材料色散对于调制信号是无法避免的。由于单模光纤的总色散为波导色散、频率色散和材料色散的综合效果，而且合理设计单模光纤的几何结构以及相对折射率差可以调整单模光纤的波导色散，所以有可能使波导色散与频率色散和材料色散相互抵消形成总色散符合各种特殊要求光纤。如零色散位移光纤，非零色散位移光纤和色散补偿光纤（DCF），等等。色散补偿光纤与常规单模光纤的色散系数符号相反，可以用于调整光纤传输系统的总体色散。减小光纤通信系统色散的主要措施有：采用单模传输光纤，提高光源的频谱纯度，改善光纤的拉制工艺，采用色散补偿技术等等。1、光纤

色散2022/12/2727模式色散在原则上可以通过实现单模传输2023/1/428色散所产生的光脉冲展宽（3-p41~62）模型采用高斯光脉冲，优点是可得解析解，缺点是比较适合于分析RZ码，不能用于分析目前广泛使用的NRZ码。特种光纤色散补偿光纤（DCF）预啁啾调制自相位调制啁啾光纤光栅（3-p308）空心光纤（3-p310）光子晶体光纤（3-p310）1、光纤

色散2022/12/2728色散所产生的光脉冲展宽（3-p41~1、光纤 光纤传感器虽然光纤的主要用途是作为光通信系统的传输媒质，它在其它技术领域内也具有十分广泛的用途。其中最重要的是具有测量精度高、可靠性好的光纤传感器。光纤传感器自20世纪70年代问世以来发展十分迅速，目前已经可以用于测量位移、振动、转动、压力、弯曲、速度、加速度、电流、电场、电压、温度、浓度、pH值等70多种物理量和化学量。光纤陀螺是一种特别重要光纤传感器，目前，它已经广泛应用在航天、航空、航海以及汽车导航系统中。2023/1/4291、光纤 光纤传感器虽然光纤的主要用途是作为光通信系统的1、光纤 光纤陀螺光纤陀螺的工作原理是萨格纳克(G.Sagnac)于1913年发现的所谓萨格纳克效应，这种效应使无运动部件的光学系统可以检测相对于惯性空间的旋转运动。图7.4是光纤陀螺的原理结构图。激光器发出的光经过两个3dB耦合器分成强度相等的两束相干光a1合a2，将这两束相干光分别从一个多圈单模光纤环的两个端口注入，此多圈单模光纤环两个端口的两束输出光经两个3dB耦合器相干合束后送到光探测器。2023/1/4301、光纤 光纤陀螺光纤陀螺的工作原理是萨格纳克(G.2023/1/431在光纤的传输特性指标中损耗是其最主要的特性参数之一。光纤的损耗通常由光功率的衰减量来衡量，单位是：分贝/每公里(dB/km)。光纤损耗的大小标志了光纤制造工艺水平的高低，也直接影响光纤通信系统的中继距离。引起光纤损耗的因素较多，主要可以归结为两大类：材料的吸收损耗和散射损耗。1、光纤 传输损耗机理2022/12/2731在光纤的传输特性指标中损耗是其最主要2023/1/432(1)材料的本征吸收Si-O键的红外吸收损耗光纤的基础材料是石英(SiO2)，它的SiO键在波长为9.1m，12.5m和21m处有振动吸收现象，峰值可达1010dB/km。由于振动吸收了能量，从而造成光功率的损耗。由于目前光通信系统的工作波长为0.85m，1.3m和1.5m，远离SiO键的红外吸收波长，因此SiO键的红外吸收对光纤通信的影响不大。在光波长为1.5m处，红外吸收损耗小于0.01dB/km。1、光纤 传输损耗机理2022/12/2732(1)材料的本征吸收1、光纤 2023/1/433电子跃迁的紫外吸收损耗在组成光纤材料的原子系统中，一些低能态的电子会吸收光能量而跃迁到高能态。这个过程也将造成光功率的损耗，损耗的中心波长在0.16m的紫外光区。当光波长为0.6m时，紫外吸收损耗约为1dB/km；当光波长为1.3~1.5m时，紫外吸收损耗约为0.05dB/km。因此，紫外吸收损耗对波长为0.85m的短波长光纤通信系统有一定的影响。光纤中材料本征吸收是SiO2的固有特性，我们无法减小它，只能尽量避开其峰值。例如，在1.5m波长附近，石英系光纤的材料本征吸收有最小值，该值约为0.06dB/km。1、光纤 传输损耗机理2022/12/2733电子跃迁的紫外吸收损耗1、光纤 2023/1/434(2)杂质吸收损耗金属离子的吸收光纤中的主要金属离子有：铁Fe、铜Cu、钒V、铬Cr、锰Mn、镍Ni、钴Co等。由于现代光纤制造工艺已经可以将金属杂质的相对浓度降到109以下，因此，金属离子的吸收损耗对光纤损耗的影响已经不大显著。OH－根离子的吸收损耗光纤材料中氢氧根离子的振动吸收损耗是造成光纤在其通信波长范围内损耗的主要根源，这是由高琨博士首先发现的。正是由于这个发现，才使得光纤通信成为现实。OH

根离子的振动吸收峰波长为：2.73m、1.39m、1.24m和0.95m。1、光纤 传输损耗机理2022/12/2734(2)杂质吸收损耗1、光纤 传2023/1/435(3)原子缺陷吸收损耗光纤材料由于热辐射或光辐射的作用可以产生原子缺陷吸收，其吸收损耗幅度可达102~104dB/km。由于石英系光纤材料对热辐射或光辐射不敏感，所以石英系光纤的原子缺陷吸收损耗非常小。1、光纤 传输损耗机理2022/12/2735(3)原子缺陷吸收损耗1、光纤 2023/1/4362、散射损耗瑞利散射损耗是一种本征散射损耗。它是由于光纤材料(石英玻璃)的微观密度不均匀以及微观折射率不均匀造成的。瑞利散射是一种弹性散射，散射光中没有新的频率分量。瑞利散射损耗的大小与光波波长的四次方成反比，对于波长为0.85m的短波长光波影响较大，当光波波长大于1.3m时瑞利散射损耗的影响较小。1、光纤 传输损耗机理2022/12/27362、散射损耗1、光纤 传输损耗机2023/1/4372、散射损耗结构缺陷散射(波导散射)损耗是由于光纤几何尺寸或结构不均匀造成的。比如，当光纤纤芯和包层分界面上不平整时，将会激励起高阶传输模式和泄漏模式。这些模式都不符合传输条件，因此必然进入光纤的包层从而造成散射损耗。1、光纤 传输损耗机理2022/12/27372、散射损耗1、光纤 传输损耗机2023/1/4382、散射损耗非线性效应散射损耗主要是由于受激喇曼散射和受激布里渊散射引起的。受激喇曼散射和受激布里渊散射都是非弹性散射，散射光中有新的频率分量。其中受激喇曼散射的散射机制是与介质光学特性有关的、频率较高的“光学声子”；而布里渊散射的散射机制是与介质宏观弹性特性有关的、频率较低的“声学声子”。这类损耗只有在入射光较强(数百毫瓦以上)时才能表现出来。一般情况下光纤通信线路中的光功率为毫瓦量级，因此这类散射损耗的影响极小。1、光纤 传输损耗机理2022/12/27382、散射损耗1、光纤 传输损耗机2023/1/439fifo为受激拉曼散射光光学声子ffi=fo+f；

f~13.2THz在光波频段阈值较大（按式8.1.13讨论条件~600mW）fifo为受激布里渊散射光声学声子ffi=fo+f；f~10GHz在声波频段阈值较小（按式9.2.6讨论条件~1mW）1、光纤 传输损耗机理2022/12/2739fifo为受激拉曼散射光光学声子f2023/1/4401、光纤 光纤的损耗及工作窗口从光纤的损耗频谱特性看，在波长0.8m至1.6m的波段内，光纤的传输损耗都很小，可以用于光纤通信。但是由于光电子器件等方面的原因，目前的光通信系统大都工作在0.8m至0.9m；1.2m至1.3m和1.5m附近的波段内。这些常用的波段被称为光纤的工作窗口。2022/12/27401、光纤 光纤的损耗及工作窗口从2023/1/441减小光纤损耗的方法光纤损耗特性是传输特性的主要指标，它直接影响光通信系统无中继通信距离的长短。因此，光纤通信技术就是从研究如何减少光纤的传输损耗而开始的。根据对光纤损耗原因的研究，减小光纤损耗的主要途径和方法可以归结为：提高化学纯度，减少金属杂质。减少OH－离子的浓度。改进光纤的拉制工艺，提高光纤材料以及几何尺度的均匀性。目前，商用石英系通信光缆的损耗指标为：1.3m波段，0.5dB/km；1.5m波段，0.18~0.20dB/km。其中石英系光纤在1.5m波段的损耗值已经接近其理论值0.10dB/km。氟化物光纤是人们普遍关注的一种新型光纤，理论分析表明，此类光纤在2.5m波段的理论损耗值为0.001dB/km。如果此类光纤以及相应的激光源、光检测器件研制成功，则光通信系统的中继距离可以在现有基础上再增加100倍！1、光纤 损耗2022/12/2741减小光纤损耗的方法1、光纤 损耗1、光纤 传输模式光纤的本征值方程和单模工作条件（详见参考资料，FTP）一般情况下，电磁波传输系统应当工作在单模传输状态。实现单模传输可以降低光纤传输系统的色散，从而可以提高光纤通信系统的传输容量和无再生中继距离。要实现光纤传输系统的单模传输状态，必须知道光纤中各传输模式的截止频率。由于光纤也是电磁波波导，因此，可以根据电磁场理论的方法以及光纤的边界条件，求出光纤中导行电磁波的场解、导行波的本征值方程以及光纤的单模传输条件。2023/1/442主模VC=0次低模VC=2.404831、光纤 传输模式光纤的本征值方程和单模工作条件（详见参1、光纤 线偏振模式弱导光纤的线偏振模式（linearPolarization,LP）表中是根据电磁场理论分类和命名的弱导光纤工作模式，1971年Gloge针对弱导光纤的特点将表中的模式按照特定的规律重新分类和命名，提出了所谓的线偏振（LP）模式。LP模式不是光纤中的本征模式，它的最主要特点是其在光纤横截面上的电场和磁场都只有一个分量，因此也称为标量模式。若干低阶LP模式与的经典电磁场理论模式的关系如表中所示。2023/1/4431、光纤 线偏振模式弱导光纤的线偏振模式（linear1、光纤 线偏振模式弱导光纤的线偏振模式（linearPolarization,LP）LP01模式是极化简并模式，其电磁场分布和光斑如下图所示。2023/1/4441、光纤 线偏振模式弱导光纤的线偏振模式（linear1、光纤 线偏振模式弱导光纤的线偏振模式（linearPolarization,LP）LP11模式有4种可能的形式，其中两种电磁场分布和光斑形式如下图所示。2023/1/4451、光纤 线偏振模式弱导光纤的线偏振模式（linear1、光纤问题：1、数值孔径NA反映了光纤收集光束的能力，它应当越大越好。由图1.9(p6)讨论。即：没有包层的玻璃纤维具有较大的数值孔径NA。玻璃n=1.51~1.53。实际光纤的(n1-

n2)/n1

=0.01~0.003。2、根据图1.19(1-p21)，什么情况下相速度和群速度不相等？即什么情况下色散较大？光纤的色散特性与光纤的收集光束地能力-数值孔径是否有冲突？你认为应当如何设计这两个参数？ITU-T规定光纤的数值孔径NA0.01~0.24。3、光纤的色散有那些类型？有那些解决方法。图1.22(2-p23) 模式色散(波导模式、偏振)；色度色散(波导结构、材料、频率)4、光信号在光纤中衰减的产生机理？ 光纤弯曲损耗的用途？5、引入线偏振模式概念的目的是什么？光纤符合什么条件才能采用线偏振模式讨论？2023/1/4461、光纤问题：2022/12/27461、光纤问题：6、讨论光纤通信的中继距离限制问题：2.5Gbit/s光纤衰减占主导，10Gbit/s光纤色散占主导。7、光纤作为信息传输媒质的优点、缺点总结。光纤制造技术的未来发展方向和趋势预测。2023/1/4471、光纤问题：2022/12/27471、光纤

2月18~25日《光纤通信系统》1.1引言；1.2光纤p2~26；3.3光纤的物理限制p109~121《光纤通信(第三版)》第2章光纤：结构、波导原理和结构p18~62第3章光纤中的信号劣化p71~105《非线性光纤光学原理及应用》上篇第2章脉冲在光纤中的传输p21~36第3章群速度色散p41~622023/1/4481、光纤 2月18~25日《光纤通信系统》2022/121、光纤

《光纤通信（第三版）》p18主要问题1、光纤具有哪些结构2、光在光纤中的传播方式3、构成光纤的材料4、光纤的制造工艺5、光缆的基本构成6、光信号在光纤中的损耗机理7、光信号在光纤中的失真机理和度量2023/1/4491、光纤 《光纤通信（第三版）》p18主要问题2022/121、光纤

概况1、光纤是一种横截面为圆形的电磁波介质导波系统，可以采用射线光学法或经典电磁场理论求解。2、目前，在商业通信线路中广泛使用的光纤是石英系光纤，它的主要成分是纯度高达99.99999％的SiO2。目前光纤的传输损耗大约为0.2~0.4dB/km，是人类已知的导波传输系统中传输损耗最小的一种。3、按工作模式分类：多模，单模4、按折射率分布特征分类：渐变折射率分布，阶跃折射率分布5、其他：色散补偿光纤，光子晶体光纤，空心光纤，掺饵、镨、氟光纤。2023/1/4501、光纤 概况1、光纤是一种横截面为圆形的电磁波介质导波2023/1/4511、光纤

概况1、通信容量极大从理论上讲，石英系光纤在1.3m和1.5m的两个低损耗窗口都可以用于通信，其总带宽资源约为1.21014Hz，通信容量十分巨大。目前人们已经利用的光纤带宽资源还不到其全部资源的1%，尽管这样，人们已经可以在一对光纤上传输上百万甚至上千万路双向数字电话。因此可以肯定，光纤的通信容量是其它任何传输媒质都无法比拟的。在近20年来，商用光纤通信系统的传输速率从45Mb/s增加到N10Gb/s(N为8，16，32)，提高了数千倍，比同期微电子技术集成度的发展速度还快。1.2m~1.6m1.21014Hz1.21014Hz/64kHz~19亿路电话2022/12/2741、光纤 概况1、通信容量极大1.1、光纤 概况2、损耗小，中继距离长在所有已知的导行电磁波传输媒质中，光纤的传输损耗最小。其中常规单模光纤（G.652）的传输损耗约为0.2dB/km，即光信号每传输15km功率才下降1/2。目前商用光纤通信系统的中继距离为50~100km，如果采用光纤放大器和孤子技术可以使光纤通信的无再生中继距离达到几百甚至几千km。3、光纤通信的抗干扰性和保密性极好光纤是一种特殊的导波传输媒质，其所传输的信号是严格限制在光纤内部传输的，外界电磁信号和光信号几乎不能对光纤内部的信号造成干扰。这就使光纤传输系统具有良好的抗干扰性和保密性。4、光纤中几乎没有背景噪声光纤是一种背景噪声极低的传输媒质，因此，光信号经光纤中传输后，信噪比基本保持不变。2023/1/4521、光纤 概况2、损耗小，中继距离长2022/12/271、光纤 概况5、重量轻、成本低、资源丰富除去保护层外，光纤的直径仅有125m，因而重量极轻，便于储存、运输和架设。光纤的主要成分是高纯度的SiO2，SiO2是地球上的资源最丰富的化合物。它占地壳物质的59%，占已知岩石主要成分的95%以上，是人类取之不尽，用之不竭的资源。2023/1/4531、光纤 概况5、重量轻、成本低、资源丰富2022/121、光纤 概况圆波导的模式理论光纤的光学特性可以用几何光学法来分析。由于光是电磁波，因此，光在光纤中的传输特性也可以用电磁场理论的方法来分析。两种方法各有其优点和局限性，几何光学法简明扼要，但只能给出光纤的光学特性(适用于分析多模光纤)；电磁场理论的方法比较繁琐，但可以给出光纤的传输特性和工作模式。一、光的反射、折射、全反射定性地讲，光信号在光纤中的传输依赖于纤芯与包层界面上的全反射现象。当入射光波的入射角大于临界角时，光波将会在介质分界面上发生全反射。如果光波在光纤纤芯和包层的分界面上发生全反射，就在光纤中形成了导行光波。因此，光波的全反射条件就是光纤中光波的传输条件。2023/1/4541、光纤 概况圆波导的模式理论2022/12/2771、光纤 概况当一束光在光纤中满足全反射定律时，就能在光纤中有效地传播。在几何光学中光波被视为光线，而能在光纤中传输的光线可分为两大类：子午光线和斜射线。子午光线的入射平面与光纤的轴线相重合。子午光纤每反射一次都将与光纤轴线相交一次。由此可以看出，子午光线在光纤中传播时始终保持在一个平面上。光纤中传输的其它射线都是斜射线。斜射线的特点是其在光纤中的传输路线呈螺旋型。由于斜射线的情况比较复杂，用几何光学的方法研究光纤的光学特性时，我们通常只考虑子午光线。因此，采用几何光学的方法分析、研究光纤传输特性就存在一定的局限性。2023/1/4551、光纤 概况当一束光在光纤中满足全反射定律时，就能在光1、光纤 基本结构和特性参数光纤是一种介质波导，它的传输特性和分析方法与金属圆波导有相似之处。光纤的主要技术特性包括：光学特性：几何结构特性，剖面折射率分布(剖面指数)，数值孔径；传输特性：模式，截止频率，色散，归一化频率等等。光纤的传输特性可以用几何光学法来分析，也可以用电磁场理论的方法来分析。两种方法各有其优点和局限性，几何光学法简明扼要，但只能给出光纤的光学传输特性(适用于分析多模光纤)；电磁场理论的方法比较繁琐，但可以给出光纤的传输特性和工作模式。2023/1/4561、光纤 基本结构和特性参数光纤是一种介质波导，它的传输1、光纤 基本结构和特性参数光纤由纤芯、包层、涂敷层及套塑四部分组成。纤芯位于光纤的中心，主要成份是SiO2，纯度高达99.99999％，其余成份为掺杂剂。光纤纤芯的直径一般为5~50m，其折射率略大于包层的折射率，通常是在纤芯中掺入五氧化二磷(P2O5)或二氧化锗(GeO2)以提高纤芯的折射率。包层在纤芯外围，其主要成份也是二氧化硅，直径一般为125m，可以在包层中掺入氟或硼以降低包层的折射率。在光纤中掺杂可以改变光纤的传输特性。例如，在光纤中掺杂可以调整光纤的色散特性；在光纤中掺入铒或氟可以制成光纤放大器等等。包层的外面是一层很薄的涂敷层，作用是提高光纤的机械强度。涂敷材料可用环氧树脂、硅橡胶等。涂敷层外还可以加玻璃纤维和套塑，以便增加光纤的机械强度。2023/1/4571、光纤 基本结构和特性参数光纤由纤芯、包层、涂敷层及套1、光纤 制造工艺光纤的制造工艺：首先制造光纤预制棒，其主要工艺需分三步：1、制造一个化学纯度很高的石英玻璃管。2、采用化学气相沉积法或其它方法，在石英玻璃管内形成高纯度并有特定掺杂的SiO2沉积层。3、将光纤预制棒加热拉伸就可以制成光纤，根据设备和工艺的条件，一般光纤的长度为1~100km。2023/1/4581、光纤 制造工艺光纤的制造工艺：首先制造光纤预制棒，其2023/1/4592022/12/27122023/1/460按照光纤纤芯和包层内的折射率分布情况，光纤可分为阶跃型光纤(SI—StepIndexFiber)和渐变型光纤(GI—GradedIndexFiber)两大类。1、光纤

光学特性2022/12/2713按照光纤纤芯和包层内的折射率分布情况2023/1/461其中：a为光纤的纤芯半径、

=(n1n2)/n1为光纤的相对折射率差、为光纤的剖面指数。剖面指数是光纤的一个重要结构参数，当

时，光纤为阶跃型光纤；当

=2时，光纤为抛物线型光纤；当的取值约等于2时，光纤即称为梯度型或渐变型光纤。(n1，n2

1.50~1.52)阶跃型光纤的生产工艺简单，生产成本低。目前商用光通信系统中采用的主要都是阶跃型单模光纤。渐变型光纤的信号失真（色散）比阶跃型光纤的信号失真小，因而其通信容量较大、中继距离较长。（思考题：为什么？）1、光纤

光学特性光纤的折射率分布可表示为（实验拟合）：2022/12/2714其中：a为光纤的纤芯半径、=2023/1/462按照光纤中传输模式的多少，光纤又可分为多模光纤(MM—MultiModeFiber)和单模光纤(SM—SingleModeFiber)。(1)多模光纤多模光纤剖面的折射率分布有阶跃型和渐变型两类，其中传输的模数量为：式中：a为光纤的纤芯半径(标准多模光纤2a

50m，标准单模光纤2a

5~8m)、为光纤的折射率差、为光纤的剖面指数，k=2/0为波数(传播常数)、n1

为光纤纤芯的折射率(1.51)。a、、、n1统称为光纤的结构参数。若N<2，01.55m，

，

0.2~0.5%，可得2a

5.52~10.4m当光源的工作频率一定时，光纤的结构参数越大，光纤中存在的模式数量就越多。(金属波导：微波源波长一定，波导横截面越大，波导中的模式越多。)1、光纤

工作模式2022/12/2715按照光纤中传输模式的多少，光纤又可分2023/1/463(2)单模光纤单模光纤中只传输最低模式的光波。对于目前光通信系统中的光源而言，实现单模光波传输的条件要求光纤的芯径2a为5~10微米之间。由于单模光纤芯径太细，目前的工艺水平还不能将其制成渐变型光纤，因此，单模光纤的折射率分布只有阶跃型一种。光属于电磁波，光纤也是一种波导。光纤中多模、单模的概念与微波波导理论中单模、多模的概念完全相同。根据微波波导理论中模式数目和模式截止的概念可以断定，光纤芯径越细，工作模式越少。1、光纤

工作模式2022/12/2716(2)单模光纤1、光纤 工作模2023/1/464在实际应用中光纤必须与光源相耦合，光纤对光能量的接收能力是我们非常关心的问题。如图所示，假设一束平行光束经透镜聚焦后注入光纤，由于各光线的入射角不同，并非所有的光线都能在光纤中满足全反射条件，而只有那些满足全反射条件的光线才能在光纤中有效传输。显然，能够满足全反射条件的光线，在空间形成了一个立体角，光纤的数值孔径(NA)直接反映了这个立体角的大小，从而描述了光纤接收光的能力。数值孔径是光纤的两个主要光学特性参数之一。1、光纤

数值孔径（NA）2022/12/2717在实际应用中光纤必须与光源相耦合，光2023/1/465设入射光A满足传输条件，应有：sin

n2/n1

，

的最小值为：

sinc=n2/n1

c=arcsin(n2/n1)根据折射定律，在光纤的入射端面上：其中n0=1，则： sin0=n1

cos由图可见，0的最大值反映了光纤对光能量的接收能力，1、光纤

数值孔径（NA）2022/12/2718设入射光A满足传输条件，应有：s2023/1/466a和0max反映了光纤接收光的能力的大小。从几何光学的角度看，并不是所有入射到光纤断面的光线都能在光纤中满足全反射条件。只有那些与光纤轴线夹角小于a的入射光，才能在光纤中形成传导模而长距离传输。sina就称为光纤的数值孔径NA。引入近似条件：n1+n2

2n1，以及相对折射率差=(n1

n2)/n1，则有：1、光纤

数值孔径（NA）2022/12/2719a和0max反映了光纤接收光2023/1/467显然，光纤的数值孔径(NA)与其相对折射率差有关。越大，NA越大，光纤捕捉光线(聚光)的能力就越强。从光源与光纤耦合的角度看，越大越好，因为这有利于提高光源与光纤的耦合效率。一根没有外包层的玻璃纤维，不但聚光能力较强，也确实可以传输光波，但是，由于它的色散特性极差，我们不能用它来传输高速率的光信号。因此作为传输高速率光信号的光纤，不能无限制地增大值。上图定性地说明了，在光纤中传输的光线由于经过路径不同，它们沿光纤轴向的群速度也不同。1、光纤

数值孔径（NA）2022/12/2720显然，光纤的数值孔径(NA)与其2023/1/468所以光纤的相对折射率差越大，则各光线的群速度差就越大。根据色散的物理意义我们知道，vg1与vg2的差值越大则色散越严重。也就是说，增大会使光纤的色散指标和带宽指标恶化。实用光纤的相对折射率差

<1%，通常称为弱导光纤。实用的常规石英系光纤的

0.3%。国际电信联盟(ITU-T)规定：光纤的数值孔径NA的取值范围是0.15~0.24，允许误差为的0.02。vg1=c

vg2=csinc=cn2/n1

=c(1

)

1、光纤

数值孔径（NA）2022/12/2721所以光纤的相对折射率差越大，则各光线图1.5所示的条形波导厚度为d，宽度远大于d。更适合于讨论半导体激光器的谐振腔。公式(1.69)为条形波导的单模工作条件。若：=1.5m，n=1.5，=0.1%，d=22.5m即V=5，根据表1.1和1.2可知条形波导单模工作条件为： 1.31<kd<2.60 k为方程(1.24)的本征值公式(1.72a)为弱导光纤的单模工作条件：???<V2.405若：=1.3~1.5m，n=1.51，=0.2~0.5%，根据公式(1.60)，可得光纤的纤芯直径2a=6.6~12.4m。实际单模光纤的纤芯直径2a=5~8m。 2023/1/4691、光纤

《光纤通信系统》1.2光纤p2~26图1.5所示的条形波导厚度为d，宽度远大于d。更适合于讨2023/1/470光纤的色散也是光纤传输特性的主要特性指标。色散是高速率信号长距离传输的主要障碍之一。研究光纤色散的原因，减小色散的影响，对于提高通信容量、增加中继距离具有重要意义。因为在光纤中传输的光波依赖于光纤纤芯和光纤包层间界面的全反射现象，按不同的全反射角传输的光线具有不同的轴向群速度，这说明在光纤中传输的光波都是色散波。色散波的一个特点是其群速度与工作频率有关，也就是说不同频率的光波具有不同的群速度。当我们要利用光波传输信号时，必然要对光波进行调制，调制后的光波具有一定的频谱宽度。按照调制信号的富里叶展开式可知，信号中包含一系列频率分量。由于不同频率的分量具有不同的群速度，那么，从发射端出发的信号到达接收端时将产生波形失真。当传输的信号码率较高时，相邻的码可能由于波形失真而发生重叠，这样就会形成误码。1、光纤

色散2022/12/2723光纤的色散也是光纤传输特性的主要特性2023/1/471右图定性地描述了色散使得信号脉冲被展宽的现象，以及脉冲展宽后可能造成误码的原因。为了防止色散效应造成系统误码，1)可以加大相邻脉冲的间隔，但这将降低光纤通信系统的传输码率，也就降低了光纤通信系统的传输容量；2)也可以减小中继距离，也就是在信号脉冲还未被展宽到可能造成误码之前，将信号重新整形后再发送出去。1、光纤

色散2022/12/2724右图定性地描述了色散使得信号脉冲被展2023/1/472光纤的色散是目前制约光纤通信系统中继距离和通信容量的主要因素之一，对光纤通信系统总体指标的提高十分有害！光纤色散的机理主要有四类：模式色散，材料色散，波导色散和频率色散(色度色散)。另外，当光纤通信系统的单通道传输码率超过10Gbit/s后，偏振模色散的影响也必须加以考虑。光波是电磁波，因此，光纤中模式色散的概念与波导中模式色散的概念完全相同。减小模式色散的方法就是在光纤中实现单模传输。要实现光纤的单模传输，必须知道光纤中各模式的截止频率，必须求出单模传输条件。这个问题只有采用场解法才能解决。材料色散是由于纤芯材料对不同的光波波长具有不同的折射率。光在光纤中的传播速度为v=c/n1()，所以不同波长的光波具有不同的群速度。1、光纤

色散2022/12/2725光纤的色散是目前制约光纤通信系统中继2023/1/473波导色散的形成与色散波的传播常数有关。因为色散波的传播常数与工作波长和波导几何结构参数有关，所以光纤中不同频率分量的光信号的群速度差（即色散）就与光纤的几何结构以及相对折射率差有关。就当前多模光纤的制造工艺而言，波导色散相对于材料色散已经很小，因此对于多模光纤可以忽略波导色散。1、光纤

色散2022/12/2726波导色散的形成与色散波的传播常数2023/1/474模式色散在原则上可以通过实现单模传输来避免，而频率色散和材料色散对于调制信号是无法避免的。由于单模光纤的总色散为波导色散、频率色散和材料色散的综合效果，而且合理设计单模光纤的几何结构以及相对折射率差可以调整单模光纤的波导色散，所以有可能使波导色散与频率色散和材料色散相互抵消形成总色散符合各种特殊要求光纤。如零色散位移光纤，非零色散位移光纤和色散补偿光纤（DCF），等等。色散补偿光纤与常规单模光纤的色散系数符号相反，可以用于调整光纤传输系统的总体色散。减小光纤通信系统色散的主要措施有：采用单模传输光纤，提高光源的频谱纯度，改善光纤的拉制工艺，采用色散补偿技术等等。1、光纤

色散2022/12/2727模式色散在原则上可以通过实现单模传输2023/1/475色散所产生的光脉冲展宽（3-p41~62）模型采用高斯光脉冲，优点是可得解析解，缺点是比较适合于分析RZ码，不能用于分析目前广泛使用的NRZ码。特种光纤色散补偿光纤（DCF）预啁啾调制自相位调制啁啾光纤光栅（3-p308）空心光纤（3-p310）光子晶体光纤（3-p310）1、光纤

色散2022/12/2728色散所产生的光脉冲展宽（3-p41~1、光纤 光纤传感器虽然光纤的主要用途是作为光通信系统的传输媒质，它在其它技术领域内也具有十分广泛的用途。其中最重要的是具有测量精度高、可靠性好的光纤传感器。光纤传感器自20世纪70年代问世以来发展十分迅速，目前已经可以用于测量位移、振动、转动、压力、弯曲、速度、加速度、电流、电场、电压、温度、浓度、pH值等70多种物理量和化学量。光纤陀螺是一种特别重要光纤传感器，目前，它已经广泛应用在航天、航空、航海以及汽车导航系统中。2023/1/4761、光纤 光纤传感器虽然光纤的主要用途是作为光通信系统的1、光纤 光纤陀螺光纤陀螺的工作原理是萨格纳克(G.Sagnac)于1913年发现的所谓萨格纳克效应，这种效应使无运动部件的光学系统可以检测相对于惯性空间的旋转运动。图7.4是光纤陀螺的原理结构图。激光器发出的光经过两个3dB耦合器分成强度相等的两束相干光a1合a2，将这两束相干光分别从一个多圈单模光纤环的两个端口注入，此多圈单模光纤环两个端口的两束输出光经两个3dB耦合器相干合束后送到光探测器。2023/1/4771、光纤 光纤陀螺光纤陀螺的工作原理是萨格纳克(G.2023/1/478在光纤的传输特性指标中损耗是其最主要的特性参数之一。光纤的损耗通常由光功率的衰减量来衡量，单位是：分贝/每公里(dB/km)。光纤损耗的大小标志了光纤制造工艺水平的高低，也直接影响光纤通信系统的中继距离。引起光纤损耗的因素较多，主要可以归结为两大类：材料的吸收损耗和散射损耗。1、光纤 传输损耗机理2022/12/2731在光纤的传输特性指标中损耗是其最主要2023/1/479(1)材料的本征吸收Si-O键的红外吸收损耗光纤的基础材料是石英(SiO2)，它的SiO键在波长为9.1m，12.5m和21m处有振动吸收现象，峰值可达1010dB/km。由于振动吸收了能量，从而造成光功率的损耗。由于目前光通信系统的工作波长为0.85m，1.3m和1.5m，远离SiO键的红外吸收波长，因此SiO键的红外吸收对光纤通信的影响不大。在光波长为1.5m处，红外吸收损耗小于0.01dB/km。1、光纤 传输损耗机理2022/12/2732(1)材料的本征吸收1、光纤 2023/1/480电子跃迁的紫外吸收损耗在组成光纤材料的原子系统中，一些低能态的电子会吸收光能量而跃迁到高能态。这个过程也将造成光功率的损耗，损耗的中心波长在0.16m的紫外光区。当光波长为0.6m时，紫外吸收损耗约为1dB/km；当光波长为1.3~1.5m时，紫外吸收损耗约为0.05dB/km。因此，紫外吸收损耗对波长为0.85m的短波长光纤通信系统有一定的影响。光纤中材料本征吸收是SiO2的固有特性，我们无法减小它，只能尽量避开其峰值。例如，在1.5m波长附近，石英系光纤的材料本征吸收有最小值，该值约为0.06dB/km。1、光纤 传输损耗机理2022/12/2733电子跃迁的紫外吸收损耗1、光纤 2023/1/481(2)杂质吸收损耗金属离子的吸收光纤中的主要金属离子有：铁Fe、铜Cu、钒V、铬Cr、锰Mn、镍Ni、钴Co等。由于现代光纤制造工艺已经可以将金属杂质的相对浓度降到109以下，因此，金属离子的吸收损耗对光纤损耗的影响已经不大显著。OH－根离子的吸收损耗光纤材料中氢氧根离子的振动吸收损耗是造成光纤在其通信波长范围内损耗的主要根源，这是由高琨博士首先发现的。正是由于这个发现，才使得光纤通信成为现实。OH

根离子的振动吸收峰波长为：2.73m、1.39m、1.24m和0.95m。1、光纤 传输损耗机理2022/12/2734(2)杂质吸收损耗1、光纤 传2023/1/482(3)原子缺陷吸收损耗光纤材料由于热辐射或光辐射的作用可以产生原子缺陷吸收，其吸收损耗幅度可达102~104dB/km。由于石英系光纤材料对热辐射或光辐射不敏感，所以石英系光纤的原子缺陷吸收损耗非常小。1、光纤 传输损耗机理2022/12/2735(3)原子缺陷吸收损耗1、光纤 2023/1/4832、散射损耗瑞利散射损耗是一种本征散射损耗。它是由于光纤材料(石英玻璃)的微观密度不均匀以及微观折射率不均匀造成的。瑞利散射是一种弹性散射，散射光中没有新的频率分量。瑞利散射损耗的大小与光波波长的四次方成反比，对于波长为0.85m的短波长光波影响较大，当光波波长大于1.3m时瑞利散射损耗的影响较小。1、光纤 传输损耗机理2022/12/27362、散射损耗1、光纤 传输损耗机2023/1/4842、散射损耗结构缺陷散射(波导散射)损耗是由于光纤几何尺寸或结构不均匀造成的。比如，当光纤纤芯和包层分界面上不平整时，将会激励起高阶传输模式和泄漏模式。这些模式都不符合传输条件，因此必然进入光纤的包层从而造成散射损耗。1、光纤 传输损耗机理2022/12/27372、散射损耗1、光纤 传输损