对于①，单位长度光纤传输的时延：
1
1 V1
1 c / n1
n1 c
对于② ，单位长度光纤传输的时延：
2
1 V2
当光发送机发送的光功率和光接收机可接 收的最小光功率（接收机灵敏度）确定时， 光纤的总损耗就受到限制。
最大传输距离
L P0 Pr M A
37
【例3.2】 某一光纤通信系统光端机的指标如 下 ：平均光发送功率为1 mW ，接收机灵敏 度为-30dBm。线路光纤损耗系数为 0.4dB/km，接头及连接器总损耗为 3dB，系 统富余量为8dB，估算光发送机和光接收机 之间的最大传输距离。
第二传输窗口
在1.55m 处最小损
耗约为
第三传0输.窗2d口B/km
瑞利散射
红外吸收
0.2
紫外吸收
850
1300
1550
波 长 (nm)
损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射 35
和辐射损耗
光纤损耗的克服
提纯材料 优化制造工艺 减小光纤弯曲和接续损耗
36
光纤损耗对通信质量的影响
损耗越大，误码率越高，传输质量越差
22
受激拉曼散射是强激光的光电场与原子中的电子 激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相耦合产 生的，具有很强的受激特性，即与激光器中的受 激光发射有类似特 性：方向性强，散射强度高。
受激布里渊散射也称声子散射，phonon scattering。 主要是由于入射光功率很高，由光波产生的电磁 伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波 散射而产生的。散射光具有发散角小、线宽窄等 受激发射的特性。也可以把这种受激散射过程看 作光子场与声子场之间的相干散射过程。可以利 用受激布 里渊散射研究材料的声学特性和弹性力 学特性。
从而吸收光能，引起损耗
峰值吸收波长约为630nm，解决方案：提高制 造工艺、不同的掺杂材料及含量
17
散射损耗
散射损耗：光能辐射出光纤之外的一种损耗 线性散射损耗和非线性散射损耗 线性散射损耗： 任何光纤波导都不可能是完美无
缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等 等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播 模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗 功率与传播模式的功率成线性关系，所以称为线 性散射损耗。主要包括： 1. 瑞利散射 2. 波导散射
不同模式具有不同的传输速度，在光纤中沿传输方向行进 的过程中，各模式逐渐分离，使得光信号展宽。
2.模式色散的表示 单位光纤长度上，模式的最大时延差
传输速度最快的模式与传输速度最慢的模式通过单位长度 光纤所需的时间之差。
2.模式色散的计算
1、阶跃光纤中的模式色散 利用几何光学
包层n2
②
芯区n1
①
① 传输最快的子午线 ② 传输最慢的子午线
脉冲展宽
T
光脉冲信号中的不同成份在光纤中的 传输速度不同，导致脉冲信号传输后展 宽甚至离散。
光纤色散效应对传输的影响
Input
1010101101
Output
1010101101
Time Time
脉冲展宽 (ps) = D(ps/ nm*km) * δ(nm) * L(km)
脉冲展宽 1/4 比特周期时会引起误码
•光纤色散
Dispersed pulse
IN Dispersive fiber
B
R
色散对光通信系统的影响
信号畸变 光脉冲形状畸变 引起误码
信号成分不同，其传播常数β也不同
不同的模式，β不同
模式色散,极化色散
不同的光纤，β不同
波导色散
不同的波长，β不同
材料色散
色散的定义
色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目 的端产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难
解：
Pi
10lg
pi 1
0(dBm)
L P0 Pr M A 0 (30) 8 3 47.5 km
0.4
38
消除损耗对光纤通信系统的影响 1、降低光纤的损耗系数，并扩展低损耗 区域 2、光纤线路中加入中继器
39
损耗的补偿办法：放大
电放大 光电光
2.5 × 0.6 × 0.6 m3
第三章 光纤特性
★光纤的主要特性
传输特性
损耗 色散
非线性
折射率分布 光学特性 数值孔径
截止波长 芯径 外径 几何尺寸 偏心度 椭圆度 同心度误差
机械特性
温度特性
2
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信号 的传输，所以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。
，
试求P该(z)光 1纤0e的0.1(z损0.2耗) mw系数 、 以及5km这样的
光纤的总损耗（ dB）。dB
解：
P(z) 10e0.2e0.1z P(0)e z
所以 =0.1（1/km）
dB 4.34
dB 0.434
5km这样的光纤的总损耗= dBL =0.434×5=2.17（dB） 7
3
光纤中光传输特性
损耗、色散和非线性对光信号传输的影响
输入信号
输出信号
损耗
时间
衰减
色散
时间
脉冲展宽
非线性 频率
新频率
4
光纤的损耗系数
光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大程度 上决定着传输系统的中继距离，损耗的降低依 赖于工艺的提高和对石英材料的研究。
损耗系数定义:
dP(z) P(z)
dz
产生光纤损耗的原因
损耗
即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。这些损耗主要包
括： 1. 吸收损耗
2. 散射损耗 3. 弯曲损耗
8
光纤损耗
本征吸收 紫外吸收 红外吸收
吸收损耗 杂质吸收 氢氧根（OH－）吸收 过渡金属离子吸收
原子缺陷吸收
瑞利散射损耗 散射损耗 结构不完善引起的散射损耗
Verizon钟爱光纤：花费230亿美元配置了12.9万公里长的光 纤，直接连到180万用户家中，提供高速因特网和电视服务 光纤到户使Verizon遇到困境：宏弯引起信号衰减
31
新技术：抗宏弯的柔性光纤*
康宁公司帮助Verizon解决了问题：可弯曲、折返、打结， 已在2500万户家庭中安装
日本NTT也完成了这种光纤的研制
18
瑞利散射
波导在小于光波长尺度上的不均匀： - 分子密度分布不均匀 - 掺杂分子导致折射率不均匀 导致波导对入射光产生本征散射
瑞利散射一般发生在短波长 也是一种本征损耗，固有散射
粒子尺寸比波长小得多，与l-4成正比
本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
19
20
波导散射
导致的原因是波导缺陷：缺陷尺寸大于光波波长 - 纤芯和包层的界面不完备 - 圆度不均匀 - 残留气泡和裂痕等 实际为结构不完善引起的模式转换或模式耦合 目前的制造工艺基本可以克服波导散射
12
红外吸收
光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传 递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗， 红外区表现强烈，因此称为红外吸收。
晶格
13
本征吸收曲线
14
非本征吸收
光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸 收
OH－和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬 等
15
OH离子吸收：O-H键的基本谐振波长为2.73 m，与 Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤通信波段内产生 一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24、0.95 m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。
光纤弯曲损耗 弯曲损耗 光纤微弯损耗
9
吸收损耗
紫外吸收 红外吸收
本征吸收
吸收损耗
杂质吸收
氢氧根(OHˉ)吸收 过渡金属离子吸收
原子缺陷吸收
10
吸收损耗
本征吸收：材料本身 (如SiO2) 的特性决定，即 便波导结构非常完美而且材料不含任何杂质也 会存在本征吸收。
原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的不 完整造成。
Photonic Crystal Fiber
Photonic Bandgap Fiber
32
柔性光纤的优点
对光的约束增强
在任意波段均可实现单模传输：调节空气孔 径之间的距离
可以实现光纤色散的灵活设计
减少光纤中的非线性效应
抗侧压性能增强 33
光纤的理论损耗：
光纤的最低损耗值
波长 （μm）
单模光纤（△=0.2%）
解决方法： (1) 光纤材料化学提纯，达到 99.9999999%的纯度 (2) 制造工艺上改进，如避免使用氢氧焰加热 ( 汽相
轴向沉积法) OH离子含量降到0.8-1.0ppb时，在0.6-1.7mm范围内，
吸收峰基本消失
16
原子缺陷吸收
光纤制造 -> 材料受到热激励 -> 结构不完善 强粒子辐射 -> 材料共价键断裂 -> 原子缺陷 导致光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动，
理论极限值 已达到的最低值
（dB/km）
（dB/km）
0.85
1.9
1.9
1.31
0.32
0.35
1.55
0.18
0.20
多模光纤（△=0.2%）
理论极限值 已达到的最低值
（dB/km）
（dB/km）
2.5
2.12
0.44
0.42
0.22
0.23
34
光纤损耗谱特性
2.5
第一传输窗口
OH离子吸收峰
损 耗 (dB/km)
p(z)为z处的光功率，代表损耗系数，L是光