L d 2n c 2 C d
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。
保偏光纤是仅传输单一偏振模的光纤， 能有效地保持光纤中传播的偏振态，避免 出现偏振模色散的问题。特别是对于光的 偏振状态要求高的系统、光纤有源器件和 无源器件，必须采用保偏光纤，如WDM系 统、光纤陀螺、光纤激光器和放大器。
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。 偏振模色散Δτ取决于光纤的双折射，由Δβ=βx-βy≈nxk-nyk得 到，
1 d 1 ( nx n y ) c dk c
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.653单模光纤（DSF）
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。
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
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。
1 d 1 d t Vg d c dk
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。
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， x y 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 x y ，单模光纤出现双折射现 象。
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பைடு நூலகம்
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
G.652单模光纤（NDSF）
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600km 10Gb/s系统色度色散受限距离约34km G.652+DCF方案升级扩容成本高
(2.58)
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。
保偏光纤
G.655单模光纤（NZ-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
结论:
适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，
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1.31 μm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1.55 μm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.654 1.55 μm损耗最小的单模光纤 其特点是在波长 1.31 μm色散为零，在1.55 μm色散为17~20 ps/(nm·km)，和常 规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB/km以下。 色散补偿光纤 其特点是在波长1.55 μm具有大的负色散。
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
n1 t1 C
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：
1/ sin 0 n1 t2 C / n1 C sin 0
所以阶跃型光纤中不同的模式的最大时延差Δt为：
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。
光纤的损耗谱
一般测试曲线
损 耗 dB/km
瑞利散射 短 波 长 窗 口 紫外吸收
理想测试曲线 红外吸收
长波长窗口 波导缺陷吸收
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。
光纤色散
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。
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： P 10 log out (单位：dB/km) L P in • 损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继 距离的选择
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。
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。
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
普通光纤(SMF) 非色散位移光纤（NDSF，G.652） 已有光纤的>95% 18
正常色散区
DWDM 波长范围
反常色散区
色散 0 ps/nmkm 1310nm 1550nm 色散位移光纤（DSF,G.653） 非零色散位移光纤（NZDSF,G.655） 波长
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。
n1 n1 1 n1 n1 t t2 t1 ( 1) C sin 0 C C n2 C
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