光纤的传输特性

理想传输系统具有什么样的特性？幅度响应：相位响应：2.2光纤的传输特性幅度特性——衰减相位特性——色散2.2光纤的传输特性非线性效应产生的原因是什么？影响程度有多大？如何改进或补偿？幅度特性——衰减衰减系数Pin：光纤始端的入射光功率Pout：光纤末端的出射光功率L：光纤长度幅度特性——衰减光纤中引起光波衰减的原因：吸收损耗散射损耗使用中造成的衰减幅度特性——衰减吸收损耗：光纤材料中的粒子吸收光能而引起光波衰减，分为本征吸收和杂质吸收。本征吸收SiO2对光的吸收，有紫外和红外两个吸收带。

(dB/km)

(µm)00.511.520.010.1110100

UV

IR

紫外吸收：随波长增大而减小，当波长大于500nm后，紫外吸收系数小于0.1dB/km。红外吸收：随波长减小而减小，谐振吸收波长在9µm，12.5µm和21µm，尾部可拖到1.5µm以下。杂质吸收光纤材料中往往含有杂质，杂质也会吸收光波能量。过渡金属离子：钒（V）、铬（Cr）、铁（Fe）等，在谐振波长上吸收系数很大，但目前离子浓度可以控制的很低。氢氧根离子（OH–）：浓度为百万分之一时，在0.95µm、1.395µm处引起的附加衰减αOH分别约1dB/km和40dB/km。

IR

0.511.520.010.1110100

OH

(dB/km)

(µm)幅度特性——衰减光纤中引起光波衰减的原因：吸收损耗散射损耗使用中造成的衰减幅度特性——衰减散射损耗：介质的不均匀或不连续会引起光波散射到非传输方向上，形成衰减。 固有的材料散射损耗光纤材料密度不均匀造成折射率不均匀引起的散射。瑞利散射：与波长的四次方成反比。

(dB/km)

(µm)

UV

R00.511.520.010.1110100 材料制造缺陷散射损耗纤芯中的杂质、气泡、不溶解离子等引起的散射损耗。 波导散射损耗由于光纤不是非理想圆柱光波导引起的散射。幅度特性——衰减光纤中引起光波衰减的原因：吸收损耗散射损耗使用中造成的衰减幅度特性——衰减使用中造成的衰减：主要有弯曲衰减、微弯衰减和接头衰减。弯曲衰减：曲率半径太小，破坏了全反射传播条件，光从纤芯泄漏到包层。微弯衰减：局部弯曲造成，曲率半径可以与光纤的横截面尺寸比拟。常发生在套塑、成缆过程中。接头衰减：多段光纤连接引起的衰减。

消逝场q¢

<qqq

>

qcq¢RqqCladdingCore场分布幅度特性——衰减光纤的衰减谱传输窗口第一窗口：0.85µm第二窗口：1.3µm第三窗口：1.55µm

R

IR

0.511.520.010.11101001st

2nd3rd

OH

(dB/km)

(µm)Δλ选择这些波段作为传输窗口，并不只是光纤的原因！幅度特性——衰减光纤传输幅度特性的改善归纳原因（三类）：影响程度：本征红外吸收、OH–吸收、瑞利散射、弯曲损耗吸收损耗：SiO2本征吸收（紫外、红外）、杂质吸收（过渡金属离子、OH–）散射损耗：材料散射（瑞利散射）、缺陷散射（气泡等）、波导散射（非圆）使用中引起的衰减：弯曲、微弯、连接幅度特性——衰减光纤传输幅度特性的改善材料与工艺改进：措施：降低杂质浓度（过渡金属离子下降到ppm级，含氢化合物的杂质含量控制在1ppm以下）。提高材料均匀性、减少缺陷、提高圆度。提高抗弯能力，降低连接损耗。衰减补偿：光放大器（20dB，可补偿多长标准SMF的衰减？）典型效果：低水峰光纤：Allwave+ZWP光纤（美国OFS公司产品）抗弯曲光纤：易贝超强弯曲不敏感光纤（武汉长飞公司产品），弯曲半径10mm（<0.03dB/圈）2.2光纤的传输特性幅度特性——衰减相位特性——色散非线性效应相位特性——色散色散对信息传输的影响相位特性——色散色散导致相位响应是非线性的，即不满足：可能的情况：时延td是ω的函数；一个ω对应多个不同的时延td。色散分类：色度色散：不同波长，速度不同；模式色散：同一波长，路径不同；偏振模色散：同一波长，不同偏振分量的速度不同。相位特性——色散模式色散

ΔL基模最高阶模接收角

At0tHL0响应时间差：模式色散系数：练习：阶跃型MMF的n2=1.5，Δ=0.01，如果要求基模和最高阶模之间的响应时间差小于1ns，则允许的最大传输长度是多少？

注意：只有MMF才有模式色散！色度色散与波长相关的色散，分为材料色散和波导色散。材料色散：群折射率随波长变化，造成不同波长的群速度不同。

相位特性——色散材料色散系数：相位特性——色散色度色散波导色散：脉冲宽度脉冲宽度光波在纤芯和包层内的传播速度不同；光波传播的有效速度与其在纤芯和包层中的功率分布相关功率分布又随波长变化不同波长的有效传播速度不同，最终造成脉冲展宽波导色散系数：相位特性——色散色度色散色度色散系数：20100-10-20DMat

(µm)1.11.31.5DWG(d=9µm)DWG(d=5µm)Dchrom(d=9µm)D纯SiO2标准SMF的色度色散系数

1.11.31.5

(µm)-40-20020DDWG(d=9µm)DWG(d=5µm)DChrom(d=5µm)DMatGeO2掺杂SiO2光纤的色度色散系数

纯SiO2光纤(d=9µm)的零色散点在1.31µm，在1.55µm处色散系数为Dchrom=18ps/(km·nm)。GeO2掺杂SiO2光纤(d=5µm

)的零色散点在1.55µm。相位特性——色散带宽-距离积——色散对传输容量的限制举例：Dchrom=18ps/(km·nm)、Δλ=1nm

结论：1Gbit/s的信号在该光纤中可以传输55km10Gbit/s的信号传输5.5km而不受色散限制相位特性——色散偏振模色散偏振模色散是随机过程。比色度色散小得多，10Gbit/s以上的高速传输系统才需要考虑。相位特性——色散光纤传输相位特性的改善——色散