光通信知識光纖的特點第一頁，共44頁。3.1光纖的損耗特性3.1.1吸收損耗 吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子(OH－)等雜質對光的吸收而產生的損耗，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。第二頁，共44頁。1.本征吸收損耗 本征吸收損耗在光學波長及其附近有兩種基本的吸收方式。(1)紫外吸收損耗 紫外吸收損耗是由光纖中傳輸的光子流將光纖材料中的電子從低能級激發到高能級時，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。第三頁，共44頁。(2)紅外吸收損耗 紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起的損耗。2.雜質吸收損耗 光纖中的有害雜質主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH－。第四頁，共44頁。3.原子缺陷吸收損耗 通常在光纖的制造過程中，光纖材料受到某種熱激勵或光輻射時將會發生某個共價鍵斷裂而產生原子缺陷，此時晶格很容易在光場的作用下產生振動，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長約為630nm左右。第五頁，共44頁。3.1.2散射損耗1.線性散射損耗 任何光纖波導都不可能是完美無缺的，無論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗，由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關系，所以稱為線性散射損耗。第六頁，共44頁。(1)瑞利散射 瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。 對于短波長光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強調的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構成光纖損耗的理論極限值。第七頁，共44頁。(2)光纖結構不完善引起的散射損耗(波導散射損耗) 在光纖制造過程中，由于工藝、技術問題以及一些隨機因素，可能造成光纖結構上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等等。第八頁，共44頁。2.非線性散射損耗 光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動激發態有關，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。第九頁，共44頁。3.1.3彎曲損耗 光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產生微米級的彎曲，這種高頻彎曲習慣稱為微彎。第十頁，共44頁。

在光纜的生產、接續和施工過程中，不可避免地出現彎曲。 微彎是由于光纖受到側壓力和套塑光纖遇到溫度變化時，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數不一致而引起的，其損耗機理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。第十一頁，共44頁。3.1.4光纖損耗系數 為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(或稱為衰減系數)的概念，即傳輸單位長度(1km)光纖所引起的光功率減小的分貝數，一般用α表示損耗系數，單位是dB/km。用數學表達式表示為：第十二頁，共44頁。

式中：L為光纖長度，以km為單位；P1和P2分別為光纖的輸入和輸出光功率，以mW或μW為單位。第十三頁，共44頁。3.2光纖的色散特性3.2.1色散的概念

3.2.2模式色散

所謂模式色散，用光的射線理論來說，就是由于軌跡不同的各光線沿軸向的平均速度不同所造成的時延差。第十四頁，共44頁。1.階躍型光纖中的模式色散 在階躍型光纖中，傳播最快的和最慢的兩條光線分別是沿軸線方向傳播的光線①和以臨界角θc入射的光線②，如圖3.6所示。因此，在階躍型光纖中最大色散是光線①和光線②到達終端的時延差。第十五頁，共44頁。圖3.6階躍型光纖的模式色散第十六頁，共44頁。2.漸變型光纖中的模式色散 在漸變型光纖中合理地設計光纖折射率分布，使光線在光纖中傳播時速度得到補償，從而模式色散引起的光脈沖展寬將很小。第十七頁，共44頁。3.2.3材料色散 一般情況下，材料色散往往是用色散系數這個物理量來衡量，色散系數定義為單位波長間隔內各頻率成份通過單位長度光纖所產生的色散，用D(λ)表示，單位是ps/（nm·km）。第十八頁，共44頁。2.材料色散 在已知材料色散系數的前提下，材料色散的表達式可根據色散系數的定義導出，材料色散用τm表示。τm(λ)=Dm(λ)·Δλ·L 式(3-25)中：Δλ為光源的譜線寬度，即光功率下降到峰值光功率一半時所對應的波長范圍；L是光纖的傳播長度。第十九頁，共44頁。3.2.4波導色散 式(3-23)中的第二項與波導的歸一化傳播常數b和波導的歸一化頻率V有關，而b和V又都是光纖折射率剖面結構參數的函數，所以式(3-23)中的第二項稱之為波導色散系數，用Dw(λ)表示。第二十頁，共44頁。3.2.5極化色散 極化色散也稱為偏振模色散，用τp表示。從本質上講屬于模式色散，這里僅給出粗略的概念。 單模光纖中可能同時存在LP01x和LP01y兩種基模，也可能只存在其中一種模式，并且可能由于激勵和邊界條件的隨機變化而出現這兩種模式的交替。第二十一頁，共44頁。

當光纖中存在著雙折射現象時，兩個極化正交的LP01x和LP01y模傳播常數βx和βy不相等。對于弱導光纖，βy和βx之差可以近似地表示為：式中：nx和ny分別為x方向和y方向的折射率。第二十二頁，共44頁。3.2.6總色散

光纖的總色散為： 值得說明的是，單模光纖一般只給出色散系數D，其中包含了材料色散和波導色散的共同影響。第二十三頁，共44頁。套塑光纖或帶有表面涂層的光纖，它的損耗隨溫度變化如圖3.另一種是光纖軸線產生微米級的彎曲，這種高頻彎曲習慣稱為微彎。值得強調的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構成光纖損耗的理論極限值。光纖中的有害雜質主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH－。紫外吸收損耗是由光纖中傳輸的光子流將光纖材料中的電子從低能級激發到高能級時，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動激發態有關，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。9，單模光纖γ＝1)。模式畸變帶寬和波長色散帶寬通常把調制信號經過光纖傳播后，光功率下降一半(即3dB)時的頻率(fc)的大小，定義為光纖的帶寬(B)。6階躍型光纖的模式色散第三十一頁，共44頁。本征吸收損耗在光學波長及其附近有兩種基本的吸收方式。由于總色散包括模式色散、材料色散和波導色散，所以光纖的總帶寬也可表示為：當光纖中存在著雙折射現象時，兩個極化正交的LP01x和LP01y模傳播常數βx和βy不相等。第三十二頁，共44頁。值得強調的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構成光纖損耗的理論極限值。3.2.7光纖的色散和帶寬對通信容量的影響

光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。其中色散特性是在時域中的表現形式，即光脈沖經過光纖傳輸后脈沖在時間坐標軸上展寬了多少；而帶寬特性是在頻域中的表現形式，在頻域中對于調制信號而言，光纖可以看作是一個低通濾波器，當調制信號的高頻分量通過光纖時，就會受到嚴重衰減，如圖3.12所示。第二十四頁，共44頁。圖3.12光纖的帶寬(f為調制信號頻率)第二十五頁，共44頁。

通常把調制信號經過光纖傳播后，光功率下降一半(即3dB)時的頻率(fc)的大小，定義為光纖的帶寬(B)。由于它是光功率下降3dB對應的頻率，故也稱為3dB光帶寬。可用式(3-33)表示。第二十六頁，共44頁。

光功率總是要用光電子器件來檢測，而光檢測器輸出的電流正比于被檢測的光功率，于是： 從式(3-34)中可以看出，3dB光帶寬對應于6dB電帶寬。第二十七頁，共44頁。1.色散與帶寬的關系 既然脈沖展寬、色散和帶寬描述著光纖的同一個特性，那么它們之間必然存在著一定的聯系。2.模式畸變帶寬和波長色散帶寬 由于總色散包括模式色散、材料色散和波導色散，所以光纖的總帶寬也可表示為：第二十八頁，共44頁。

式中：BM是由模式色散引起的模式畸變帶寬；Bc是由材料色散和波導色散引起的波長色散帶寬。第二十九頁，共44頁。

波長色散帶寬定義為： 式中：Δλ是光源的譜線寬度，單位是nm；L是光纖的長度，單位是km；D(λ)是材料色散和波導色散的色散系數(即波長色散系數)，單位是ps/(nm·km)，其中材料色散占主導地位。第三十頁，共44頁。3.鏈路總帶寬對通信容量的影響 光纖鏈路總帶寬與光纖長度之間的關系要分光纖鏈路中間有無接頭。對于無接頭的一個制造長度的光纖總帶寬BT與其單位公里帶寬B的關系如下：BT=B·L-γ 式中：L是光纖的制造長度(km)，γ為帶寬距離指數，它的取值與光纖的剖面分布及模耦合狀態有關，一般在0.5～1.0之間(多模光纖取0.5～0.9，單模光纖γ＝1)。第三十一頁，共44頁。3.3

成纜對光纖特性的影響3.3.1光纜特性1.拉力特性 光纜能承受的最大拉力取決于加強構件的材料和橫截面積，一般要求大于1km光纜的重量，多數光纜在100～400kg范圍。第三十二頁，共44頁。2.壓力特性 光纜能承受的最大側壓力取決于護套的材料和結構，多數光纜能承受的最大側壓力在100～400kg/10cm。3.彎曲特性 彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對折射率差Δ以及光纜的材料和結構。4.溫度特性 光纖本身具有良好的溫度特性。第三十三頁，共44頁。3.3.2成纜對光纖特性的影響1.成纜的附加損耗 不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會帶來附加損耗，稱之為成纜損耗。2.成纜可以改善光纖的溫度特性 套塑光纖或帶有表面涂層的光纖，它的損耗隨溫度變化如圖3.14中虛線所示。第三十四頁，共44頁。圖3.14光纖和光纜的溫度特征第三十五頁，共44頁。 把光纖制成光纜，溫度特性會得到相當大的改善，如圖3.14中的實線所示。3.機械強度增加 這一點是很顯然的。一般光纖的斷點強度約為1～5kg，而由于光纜結構中加入了加強構件、護套、甚至鎧裝層等，因此其斷點強度遠大于上述值；不僅如此，光纜的抗側壓、抗沖擊和抗扭曲性能都有明顯增強。第三十六頁，共44頁。3.4典型光纖參數

目前，ITU-T(國際電信聯盟－電信標準化機構)分別對光纖、光纖、光纖、光纖、光纖的主要參數特性進行了標準化。

G.651光纖稱為漸變型多模光纖，這種光纖在光纖通信發展初期廣泛應用于中小容量、中短距離的通信系統中。第三十七頁，共