單模光纖的參數及理論分析

2024年3月24日發(作者：白百合花語)

單模光纖的特性參數及特性的理論分析

陸銳勇 2009012303

皖西學院信息工程學院通信工程2009級02班

摘要：本文通過在理論上對單模光纖的特征參數（即影響單模光纖的傳輸效率因素），以及

衰減特性的分析。在單模光纖中存在彎縮損耗，材料對信號的吸收及模內色散等現象。并結

合實際應用的技術規范，對單模光纖的生產要求和研發趨勢進行簡單的總結和概述。

關鍵詞：單模光纖、色散、宏彎損耗、微彎損耗、吸收

Abstract: Bad in theory of single mode fiber characteristic parameters (i.e. the effects

of single mode optical fiber transmission efficiency factors ), and attenuation

characteristics analysis. In a single-mode fiber in the prence of bending loss, material

absorbs the signal and intramode dispersion phenomenon. Combined with the practical

application of the technical specification for single-mode fiber, the production

requirements and development trend for simple summary and overview.

Key words: A single-mode optical fiber, dispersion, macro bending loss, microbending

loss, absorption

一、 光纖的介紹

光纖是一種高度透明的玻璃絲，由二氧化硅等高純度玻璃經復雜的工藝拉絲制成。光纖

從橫截剖面看可以分為三部分，即折射率較高的芯區、折射率較低的包成、表面涂覆層。包

層和涂覆層的作用是滿足光纖能夠導光的需求，涂覆層是為了防止光纖表面微小裂紋的擴

大，從而增強光纖的機械強度。

光纖的種類有很多，根據光纖中的傳輸模式的多少可以分為單模光纖和多模光纖。單模

光纖指在給定的工作波長上，只能傳輸單一模式的光纖。因為單模光纖中不存在模式色散，

所以具有幾十吉赫茲以上的傳輸頻段，有利于大容量、長距離、高碼速的信息傳輸。

目前ITU-T已經在建議G.652、G.653、G.654、G.655和G.656中分別定義了5種不同設

計的單模光纖。其中G.652光纖是目前應用最廣泛的標準單模光纖，稱為1310nm性能最佳

的單模光纖；G.652光纖還可以分為G.652.A、G.652.B、G.652.C、G.652.D。

二、光纖在光纖通信系統的應用

光纖通信系統主要由發送端機、光纖傳輸信道、接收端機組成。光纖是光纖通信系統中

最重要的組成部分，是光波的傳輸媒介，其傳播特性直接影響系統的通信質量。

在最初對光纖如何對光進行傳導的實驗中發現，所有將光纖用于通信的嘗試都因信號剛

傳輸幾英尺就完全消失而失敗。即隨著傳輸距離的增加，信號將發生衰減和失真，信道的傳

輸特性是影響光纖通信系統性能的決定因素。光纖的主要傳輸特性是損耗和色散。光纖的傳

輸損耗特性用衰減系數表示，與光線中的雜質濃度和光波頻率等因素有關。

三、單模光纖的特征參數

單模光纖的常用特征參數：衰減系數、截止波長、模場直徑

1.衰減系數α

衰減量的大小通常用單位長度的衰減，即衰減系數α表示，定義為

α= 10/L lg (Pi/Po) (dB/km)

式中 L－－光纖長度，單位km

Pi－－輸入光纖的光功率

PO－－光纖的輸出光功率。

2.截止波長λc

截止波長是單模光纖所特有的參量，也是單模光纖最基本的參數，通常可以用來判斷光

纖中是否為單模工作方式。截止波長λc的含義是，能使光纖實現單模傳輸的最小工作

光波波長。也就是說，盡管其它條件皆滿足，但如果光波波長不大于單模光纖的截止

波長，仍不可能實現單模傳輸。要保證單模傳輸，光纖的歸一化頻率V就要足夠小，當

V減小到高次模LP11的截止頻率2.40483時，高次模LP11正好截止，光纖中只傳輸基模。

單模光纖工作波長要大于截止波長，截止波長的典型值大于1260nm。

3.場模直徑d

場模直徑是衡量基模場強在光纖橫截面內特定分布的約束光功率的物理量。對于階躍型

單模光纖，基模HE11場強在光纖截面的分布近似高斯分布。通常將纖芯中場分布曲線最大

值的1/e處所對應的寬度定義為場模直徑。ITU-T規定，在1.31μm波長上，場模直徑的標

稱值在9~10μm，容差為±1μm。

四、階躍型折射率單模光纖的衰減特性分析

單模光纖是在給定的工作波長情況下，只傳輸基模的光纖。在階躍折射率單模光纖中只

傳輸HE

11

模。由于單模光纖只傳輸基模，無模式色散，因此，其頻帶寬，非常適合高速率、

遠距離傳輸。

在行一根光纖中發射光進行信息傳輸時，衰減是指由除了開始沒有滿足全反射條件外

的原因所造成的能量損耗。造成光纖衰減主要有吸收衰減和散射衰減。吸收衰減是因為材料

吸收而導致部分光功率變成熱量而使光功率減少。散射衰減主要來自纖芯折射率的不均勻

性、芯包邊界邊界的不規則、宏彎損耗以及輸入輸出之間的耦合損耗。一般的散射衰減包括

宏彎損耗和微彎損耗，一般在實際應用中只標明宏彎損耗，將微彎損耗計算在總衰減中。

一般光纖損耗（Loss）定義為光纖輸出端功率Pout與發射到光纖時的功率Pin的比值。

Loss = Pout / Pin

式中功率以W為單位。在通信技術中常用分貝（db）來測量衰減，上式是總衰減的計算公

式，衰減顯然是和光纖的長度L成正比。光纖通信技術還有一個定義單位衰減公式

A(dB/km) = Loss(dB) / 光纖長度（km）

A（dB/km）被稱為衰減，是光纖最重要的特征之一，有時也被稱為光纜損耗因子。

1、散射

在光纖的加工制造過程中，高透明度的光纖中不會有微粒雜質，但是可能存在折射率的細微

變化。這種細微變化會被傳輸的光視為光阻礙，導致光的初始方向發生改變。光離開纖芯方

向造成光散射損耗（瑞利色散）。一般光纖散射也稱為內部損耗，指一束以小于或者等于臨

街角的方向進行傳播的光在遇到障礙物后會改變其方向。散射效應破壞了在纖芯包層邊界保

持全內反射的條件，部分光穿出纖芯，從而造成傳輸功率的損耗。這種損耗對硅制單模光纖

的最小衰減加以絕對的限制。。

2、階躍折射率光纖的彎曲損耗

彎曲損耗是單模光纖和多模光纖的一個主要區別，兩類損耗均由纖芯模場限制決定。纖

芯限制模場越緊，彎曲損耗就越小。