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第三章光纤的损耗和色散

ABC色散及其引起的信号失真单模光纤的色散优化光纤的损耗主要内容

即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗。01光纤的损耗限制了光信号的传播距离。这些损耗主要包括：吸收损耗散射损耗弯曲损耗02损耗033.1光纤的损耗

01原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的不完整造成非本征吸收：由过渡金属离子和氢氧根离子(OH－)等杂质对光的吸收而产生的损耗020304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 0506吸收损耗

本征吸收(1)紫外吸收光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围晶格(2)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

本征吸收曲线

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－吸收峰~2dB解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比如达到99.9999999%的纯度OH－和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等(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)

原子缺陷吸收1rad(Si)=0.01J/kg800人死亡光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动光纤制造-材料受到热激励-结构不完善强粒子辐射-材料共价键断裂-原子缺陷吸收光能，引起损耗

光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象01瑞利散射02波导散射03散射损耗

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本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值

导致的原因是波导缺陷圆度不均匀纤芯和包层的界面不完备残留气泡和裂痕等目前的制造工艺基本可以克服波导散射波导散射

标准单模光纤损耗曲线掺GeO2的低损耗、低OHˉ含量石英光纤OH－154dB/kmAllWavefiberAllWave：逼近本征损耗单模：本征损耗+OHˉ吸收损耗常温且未暴露在强辐射下

商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较多模光纤的损耗大于单模光纤：多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径(本征散射大)由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗多模光纤单模光纤

弯曲损耗宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲消逝场q￠qqqqcq￠RqqCladdingCore场分布弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加

弯曲损耗与模场直径的关系P包层1P包层2Loss低阶模Loss高阶模Loss模场直径小Loss模场直径大模式剥离器：将光纤缠绕成环

微弯：微米级的高频弯曲微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均 成缆时受到压力不均

使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果： 造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗

宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯损耗微弯

损耗基本损耗l增加，V减少，W0越大长波长处附加损耗显著

宏弯带来的应用局限：Verizon的烦恼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

新技术：抗宏弯的柔性光纤PhotonicCrystalFiberPhotonicBandgapFiber康宁公司帮组Verison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

0102030405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抗侧压性能增强可以实现光纤色散的灵活设计减少光纤中的非线性效应柔性光纤的优点

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：01可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：02其中L为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在1550nm的损耗系数为0.2dB/km。03光纤损耗的度量

损耗的补偿办法：放大电放大光?电?光2.5×0.6×0.6m3全光放大EDFA拉曼放大器0.05×0.3×0.2m3掺铒光纤放大器

010203色散及其引起的信号失真光纤的损耗单模光纤的色散优化主要内容

3.2色散引起的信号失真光信号包含不同的频率、模式、偏振分量f光源输出有一定谱宽：100KHz~10MHz信号具有不同的频谱分量

色散的定义分类：1.