单模光纤的参数及理论分析

2024年3月24日发(作者：白百合花语)

单模光纤的特性参数及特性的理论分析

陆锐勇 2009012303

皖西学院信息工程学院通信工程2009级02班

摘要：本文通过在理论上对单模光纤的特征参数（即影响单模光纤的传输效率因素），以及

衰减特性的分析。在单模光纤中存在弯缩损耗，材料对信号的吸收及模内色散等现象。并结

合实际应用的技术规范，对单模光纤的生产要求和研发趋势进行简单的总结和概述。

关键词：单模光纤、色散、宏弯损耗、微弯损耗、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、 光纤的介绍

光纤是一种高度透明的玻璃丝，由二氧化硅等高纯度玻璃经复杂的工艺拉丝制成。光纤

从横截剖面看可以分为三部分，即折射率较高的芯区、折射率较低的包成、表面涂覆层。包

层和涂覆层的作用是满足光纤能够导光的需求，涂覆层是为了防止光纤表面微小裂纹的扩

大，从而增强光纤的机械强度。

光纤的种类有很多，根据光纤中的传输模式的多少可以分为单模光纤和多模光纤。单模

光纤指在给定的工作波长上，只能传输单一模式的光纤。因为单模光纤中不存在模式色散，

所以具有几十吉赫兹以上的传输频段，有利于大容量、长距离、高码速的信息传输。

目前ITU-T已经在建议G.652、G.653、G.654、G.655和G.656中分别定义了5种不同设

计的单模光纤。其中G.652光纤是目前应用最广泛的标准单模光纤，称为1310nm性能最佳

的单模光纤；G.652光纤还可以分为G.652.A、G.652.B、G.652.C、G.652.D。

二、光纤在光纤通信系统的应用

光纤通信系统主要由发送端机、光纤传输信道、接收端机组成。光纤是光纤通信系统中

最重要的组成部分，是光波的传输媒介，其传播特性直接影响系统的通信质量。

在最初对光纤如何对光进行传导的实验中发现，所有将光纤用于通信的尝试都因信号刚

传输几英尺就完全消失而失败。即随着传输距离的增加，信号将发生衰减和失真，信道的传

输特性是影响光纤通信系统性能的决定因素。光纤的主要传输特性是损耗和色散。光纤的传

输损耗特性用衰减系数表示，与光线中的杂质浓度和光波频率等因素有关。

三、单模光纤的特征参数

单模光纤的常用特征参数：衰减系数、截止波长、模场直径

1.衰减系数α

衰减量的大小通常用单位长度的衰减，即衰减系数α表示，定义为

α= 10/L lg (Pi/Po) (dB/km)

式中 L－－光纤长度，单位km

Pi－－输入光纤的光功率

PO－－光纤的输出光功率。

2.截止波长λc

截止波长是单模光纤所特有的参量，也是单模光纤最基本的参数，通常可以用来判断光

纤中是否为单模工作方式。截止波长λc的含义是，能使光纤实现单模传输的最小工作

光波波长。也就是说，尽管其它条件皆满足，但如果光波波长不大于单模光纤的截止

波长，仍不可能实现单模传输。要保证单模传输，光纤的归一化频率V就要足够小，当

V减小到高次模LP11的截止频率2.40483时，高次模LP11正好截止，光纤中只传输基模。

单模光纤工作波长要大于截止波长，截止波长的典型值大于1260nm。

3.场模直径d

场模直径是衡量基模场强在光纤横截面内特定分布的约束光功率的物理量。对于阶跃型

单模光纤，基模HE11场强在光纤截面的分布近似高斯分布。通常将纤芯中场分布曲线最大

值的1/e处所对应的宽度定义为场模直径。ITU-T规定，在1.31μm波长上，场模直径的标

称值在9~10μm，容差为±1μm。

四、阶跃型折射率单模光纤的衰减特性分析

单模光纤是在给定的工作波长情况下，只传输基模的光纤。在阶跃折射率单模光纤中只

传输HE

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模。由于单模光纤只传输基模，无模式色散，因此，其频带宽，非常适合高速率、

远距离传输。

在行一根光纤中发射光进行信息传输时，衰减是指由除了开始没有满足全反射条件外

的原因所造成的能量损耗。造成光纤衰减主要有吸收衰减和散射衰减。吸收衰减是因为材料

吸收而导致部分光功率变成热量而使光功率减少。散射衰减主要来自纤芯折射率的不均匀

性、芯包边界边界的不规则、宏弯损耗以及输入输出之间的耦合损耗。一般的散射衰减包括

宏弯损耗和微弯损耗，一般在实际应用中只标明宏弯损耗，将微弯损耗计算在总衰减中。

一般光纤损耗（Loss）定义为光纤输出端功率Pout与发射到光纤时的功率Pin的比值。

Loss = Pout / Pin

式中功率以W为单位。在通信技术中常用分贝（db）来测量衰减，上式是总衰减的计算公

式，衰减显然是和光纤的长度L成正比。光纤通信技术还有一个定义单位衰减公式

A(dB/km) = Loss(dB) / 光纤长度（km）

A（dB/km）被称为衰减，是光纤最重要的特征之一，有时也被称为光缆损耗因子。

1、散射

在光纤的加工制造过程中，高透明度的光纤中不会有微粒杂质，但是可能存在折射率的细微

变化。这种细微变化会被传输的光视为光阻碍，导致光的初始方向发生改变。光离开纤芯方

向造成光散射损耗（瑞利色散）。一般光纤散射也称为内部损耗，指一束以小于或者等于临

街角的方向进行传播的光在遇到障碍物后会改变其方向。散射效应破坏了在纤芯包层边界保

持全内反射的条件，部分光穿出纤芯，从而造成传输功率的损耗。这种损耗对硅制单模光纤

的最小衰减加以绝对的限制。。

2、阶跃折射率光纤的弯曲损耗

弯曲损耗是单模光纤和多模光纤的一个主要区别，两类损耗均由纤芯模场限制决定。纤

芯限制模场越紧，弯曲损耗就越小。