光纤通信第3章光纤的传输特性

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1、第三章　光纤的传输特性★光纤的主要特性传输特性损耗色散光学特性折射率分布数值孔径芯径外径偏心度椭圆度几何尺寸机械特性温度特性光纤的传输特性☆光纤在光纤通信系统的主要作用是完成光能量的传输，所以在光纤通信原理课程里我们最关心光纤的传输特性。☆光纤的传输特性主要有两部分，光纤的损耗特性和色散特性。一、光纤的损耗特性光纤损耗吸收损耗本征吸收杂质吸收原子缺陷吸收紫外吸收红外吸收氢氧根（OH－）吸收过渡金属离子吸收瑞利散射损耗结构不完善引起的散射损耗散射损耗弯曲损耗光纤弯曲损耗光纤微弯损耗1.吸收损耗本征吸收吸收损耗紫外吸收红外吸收氢氧根(OHˉ)吸收过渡金属离子吸收原子缺陷吸收杂质吸收紫

2、外吸收：光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起光信号的损耗。这种损耗对于波长小于0.4μm的紫外区中的光波表现得特别强烈，形成紫外吸收带。它的吸收损耗曲线已延伸到光纤通信波段(即0.8～1.7μm波段)。在短波长范围内，引起光纤损耗小于0.1dB/km。红外吸收：光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起光信号的损耗。这种吸收损耗对于红外区中2μm以上的光波表现得特别强烈。1.11.21.31.41.51.61.71.81.90.010.020.030.050.10.20.30.51.0紫外吸

3、收损耗红外吸收损耗瑞利散射损耗波长(μm)损耗(dB)SiO2-GeO2材料制成的单模光纤，在1.55μm波长处测得的损耗仅为0.2dB/km光纤中的铁、钴、镍、铜、锰、铬等和氢氧根(OH－)在光纤传输的电磁场(光波)的作用下产生振动，因而吸收一部分光能，引起损耗。它们的影响可以随杂质浓度的降低而减小，直到清除。降低材料中的过渡金属离子比较容易，目前已可以使它们的影响减小到最小程度。杂质吸收：OH－振动吸收影响较大。在0.6～2.73μm的波长范围内产生若干吸收峰。当降到0.8～1.0ppb(10-9)时，在整个0.7～1.6μm波谱范围内，其吸收峰基本消失，得到如图虚线所示的曲

4、线。1.31μm波长　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　窗口和1.55μm波长窗口不再被OH－吸收峰隔开因而得到一个很宽的低损耗　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　波长窗口，有利于波分复用。OH－吸收损耗0.80.91.01.11.21.31.41.51.6λ(μm)OHˉ吸收峰512346OH－吸收造成的光纤损耗原子缺陷吸收：通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。原子缺陷吸收，可以通过选用合适的制造工艺、不同的掺杂材料及

5、含量使之减小到可以忽略不计的程度。2.散射损耗线性散射损耗散射损耗非线性散射损耗瑞利散射结构不完善散射瑞利散射：在光纤的制造过程中，热骚动使原子产生压缩性的不均匀性或压缩性的起伏，这使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀。这些不均匀尺寸比光波长还小。当光纤中传播的光照在这些不均匀微粒上时，就会向各个方向散射，这种造成散射的粒子尺寸比波长小得多时的散射称为瑞利散射。瑞利散射引起的损耗与λˉ4成正比。结构不完善引起的散射：在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等等。这些

6、结构上不完善处的尺寸远大于光波波长，引起与波长无关的散射损耗。传播波模变换后的传播波θ纤芯包层辐射模非线性散射损耗光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一旦入射光功率超过阈值，散射光强将呈指数增长。系统采用波分复用和掺铒光放大器（EDFA）时，一定要考虑这两种散射损耗的影响。3.弯曲损耗弯曲损耗光纤弯曲损耗光纤微弯损耗光纤弯曲时会造成模式转换，如低阶模变为高阶模时，传输路径增加，损耗增大；若导模转换为辐射模时，造成辐射损耗。为了尽量减小这种损耗，施工过

7、程中严格规定了光纤光缆的允许弯曲半径，使弯曲损耗降低到可以忽略不计的程度。光纤弯曲：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯就叫弯曲。光纤微弯：由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯包层和套塑的热膨胀系数不一致而引起的光纤轴产生微米级的弯曲称为微弯。其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起的。★本征损耗本征吸收本征散射——瑞利散射{红外吸收紫外吸收光纤的最低理论衰减值是由本征损耗决定的典型光纤损耗曲线0.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61