2
2 1/ 2




传输容量---带宽距离积BL
光源谱宽限制

V 1
2 1/ 2
非零色散点：
0 1 V 2 L / 2 0
2


2 L s
2 0

2 1/ 2

DL
2 0

2 1/ 2

D
2C

2
2
光纤的色散系数
D D0 dD S0 lim 0 0 d

单位：ps/(nm2.km) 给定色散斜率，则零色散区内的色散系数为

D - 0 S0 S0
单模光纤的分类

分类依据：单模光纤的零色散波长 类别：常规型、色散位移型、非零色散型、色散平坦型

色散对光信号包络传播的影响


光纤通信中色散的含义

一切导致因速度差造成光信号包络展宽的因素均被称为 色散
光纤色散对通信的影响

影响链：

色散导致传输的光脉冲展宽 光脉冲展宽导致码间串扰 码间串扰导致系统误码率增大

通信系统需要维持一个足够低的误码率，为此需要降 低码间串扰的程度，可以

为什么工作波长不能选择得更长一些？ 卤化物光纤

氟化物光纤，本征吸收区波长较石英光纤更长一些
最低损耗窗口在2550nm附近 最低损耗低达 0.01~0.001dB/km

难度

超纯原料 微晶体化
光纤损耗的测量

测量方法：剪断法、插入损耗法、背向散射法
剪断法、插入损耗法
偏置电路 被测光纤
2 2 1/ 2



s 高斯光源的均方根谱宽，V 2 s 0 0 初始脉冲宽度
传播距离z以后的脉冲宽度

传输容量---带宽距离积BL

判断依据：接收端光脉冲的均方根宽度不大于 信息比特周期的1/4
TB / 4 1 / 4B
2 z z 1 2 3 2 1 1 V 2 1 V 2 2 8 2 3 0 0 0
(理论极限值0.154dB/km)
使用过程中光纤的损耗变化

变化趋势

损耗增大

原因


热胀冷缩 油膏特性变差 光纤受水分侵蚀


OH-吸收损耗增大 光纤分子缺陷增多
单模与多模光纤损耗对比

单模光纤损耗要小一些
10 SIF 8
km － 1) 损耗 /( dB·

原因包括以下几点：

SMF
2
1
2
v c/n
石英材料： G1=0.6961 G2=0.4079 G3=0.8974 1=0.0684m 2=0.1162m 3=9.8962m
材料色散系数
vg d d
k0 n n 0 0 n / c
dn dn dn dn vg c n k0 c n n N n k0 dk 0 d dk 0 d
单位长度光纤上光信号的群时延：
1 d vg d
c 1/
0 0 , k0 0 0 / c 2 d k0 2 / 2c d
d dk0 1 d dk0 d c dk0
2 d 1 d 2 d 2 2 d 2c d d
d bV dV
b
1
0.5 0 -0.50
d 2 bV V dV 2
0.5
1
1.5
2
2.5
3
单模光纤的色散系数
D( ) Dm ( ) DW ( )
30
20
D Dm
10
0
Dw
-10 1.2

1.3
1.55
1.65
单位：ps/(nm.km)
色散斜率

色散斜率：零色散波长附近总色散系数随波长变化的曲线斜率
第三章 光纤的传输特性
本章内容

光纤中信号的劣化
光纤的损耗特性
光纤的色散特性
单模光纤的非线性

光纤的制造工艺
3.1 光纤中信号的劣化
信号的损伤

任何传输信道均会对信号造成损伤

线性损伤

加性噪声


损耗
外部串扰 信道内部串扰

非线性损伤

信号畸变 乘性噪声
光纤中信号的损伤
光纤损耗的表示方法
光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减：
Pout PineL
可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：

P 10 log in L Pout
dB/km
其中L为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在1550 nm的损耗系 数为0.2 dB/km。
光纤的衰减为A=(VA-VB)/2 (dB)
a
A LAB
dB / km
3.3 光纤的色散

光信号包含不同的频率、模式、偏振分量 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 同频率的电磁波以不同的相速度和群速度在介质中传 播的物理现象 包络展宽
D 3.5 ps / nm km


SiO2+GeO2 SiO2
SiO2+GeO2 SiO2 SiO2+P2O5+F2
D
G.653(DSF)
单模光纤的分类
1310 1550

色散位移光纤 型号：G.653
(nm)


参数：
零色散波长范围：1.50~1.60μm 色散斜率
问题

如何表示光纤损耗？
光纤损耗的种类及其产生原因是什么？ 如何才能降低光纤的损耗？ 光纤的微弯损耗和宏弯损耗机理是什么？ 光纤在各工作波长段的典型损耗特性如何？ 光纤使用过程中损耗会增大吗？为什么？ 单模光纤的损耗大还是多模光纤的损耗大？为什么？ 光纤的损耗能够更低吗？如何实现？ 光纤的损耗如何测量？
波长色散

与光信号谱宽成比例的色散效应，称为波长色散或 GVD(Group Velocity Dispersion，群速度色散)或 色度色散
波长色散的组成

光纤的波长色散组成

材料色散 波导色散 折射率剖面色散
材料色散
材料色散是由构成光纤的纤芯和包层材料的折射率是 频率的函数引起的
Gi n n 1 2 2 i 1 i
偏振模色散图
偏振模色散（PMD）

光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的传 播速率不完全相同，即 x≠y，这将导致偏振模色散 偏振模色散对长途大容量光纤通信影响较为严重， 通常只能用统计推算的方法估算偏振模色散

波长色散

群速度是表征光信号包络传播速度的量
d vg d
光能量主要在纤芯中传输 纤芯所需原料少，更易保证其纯度
6 4 2 0
GIF
纤芯工艺要求更高，折射率不均匀性 减小
包层更厚，OH-离子更难入侵到纤芯中
0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6 1 .8 波长 / m (a)

纤芯小，弯曲损耗更低
超低损耗光纤

瑞利损耗与波长的关系
1 / vg
d 1 dN d c d
2 d n 2 Ym d2
1 Ym c

2 d n 2 材料色散系数： Ym d2
波导色散
波导色散系数
2 1.5
DW
N1 N 2 d 2 bV V 0 2 c dV

单模光纤的双折射

单模光纤的实际工作模式

LP01x 模和 LP01y模 它们是空间正交的两个模，理想状态完全简并，即 xy 几何原因：例如光纤芯不圆，其特例椭圆光纤 应力原因：光纤横向受应力影响，导致各向异性

由于以下原因，光纤存在双折射现象

外加电磁场影响

光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的 传播速率不完全相同，即 x≠y，这将导致偏振模色散
S0 0.085 / nm 2 km
零色散区最大色散系数
D 3.5 ps / nm km
单模光纤的分类 D

非零色散光纤 型号：G.655
G.655 (NZ-DSF)


1310 1550 (nm) 目标：解决四波混频现象 途径：在1550nm窗口保留一定量的色散，但色散要充分小
光纤损耗的种类

吸收损耗

本征吸收 杂质吸收

过渡金属离子 氢氧根离子

散射损耗

瑞利散射 米氏散射 宏弯和微弯

弯曲损耗

本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
光纤的损耗谱
100 50 损 耗 dB/km 10 5 1 0.5 0.1 0.05 瑞利散射 实验值
红外吸收
紫外吸收
OH-吸收
波导缺陷
0.01
0.8
1.0
1.2 1.4 波长λ(um)
1.6
1.8
微弯损耗和宏弯损耗机理

宏弯损耗

曲率半径比光纤直径大得多的宏弯曲