光纤光学-光纤特性

第二章：光纤特性损耗的定义

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α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

损耗的来源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吸收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。材料吸收损耗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。光纤波导结构缺陷主要由熔炼和拉丝工艺不完善造成。散射损耗散射损耗特点：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。光纤的损耗谱损耗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。劣化的程度随数据速率的平方增大决定了电中继器之间的距离光纤色散色散分类

模式色散材料色散波导色散偏振色散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。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②，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Δt为：

材料色散材料色散是由于光纤的折射率随波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Δλ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=3×108m/s,是真空中的光速,—是光源的谱线宽度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。多模光纤与单模光纤色散总色散传输使用的三种不同类型的单模光纤G.652单模光纤（NDSF）G.653单模光纤（DSF）G.655单模光纤（NZ-DSF）常规G.655大有效面积G.655大多数已安装的光纤低损耗大色散分布大有效面积色散受限距离短2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km10Gb/s系统色度色散受限距离约34kmG.652+DCF方案升级扩容成本高结论:不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。G.652单模光纤（NDSF）低损耗零色散小有效面积长距离、单信道超高速EDFA系统四波混频（FWM）是主要的问题，不利于DWDM技术结论:适用于10Gb/s以上速率单信道传输，但不适用于DWDM应用，处于被市场淘汰的现状。G.653单模光纤（DSF）在1530－1565nm窗口有较低的损耗工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生。可以有正的或负的色散——海底传输系统正色散SPM效应压缩脉冲，负色散SPM效应展宽脉冲。为DWDM系统的应用而设计的G.655单模光纤（NZ-DSF）结论:适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。三种光纤色散情况比较正常色散区反常色散区光纤标准和应用

G.651多模渐变型(GIF)光纤应用于中小容量、中短距离的通信系统。

G.652常规单模光纤是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31μm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。

G.653色散移位光纤是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55μm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。

G.6541.55μm损耗最小的单模光纤其特点是在波长1.31μm色散为零，在1.55μm色散为17~20ps/(nm·km)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20dB/km以下。

色散补偿光纤其特点是在波长1.55μm具有大的负色散。

G.655非零色散光纤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。式中，nx和ny分别为x-和y-方向的等效折射率。偏振模色散本质上是模式色散，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，但一般要求偏振模色散小于0.5ps/km。

由于存在偏振模色散，即使在色度色散C(λ)=0的波长，带宽也不是无限大。

偏振模色散：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偏振模色散或双折射色散。