本文主要介紹光纖的主要參數(shù)

光纖是一種細(xì)玻璃絲，其中心纖芯的折射率略高于周?chē)陌鼘?。從物?a target="_blank">光學(xué)的角度來(lái)看，光在纖芯-包層邊界處由全內(nèi)反射引導(dǎo)。更確切地說(shuō)，光纖是一種介質(zhì)波導(dǎo)，其中有離散數(shù)量的傳播模式。

如果纖芯直徑和折射率差足夠小，則只有單模傳播。

單模傳播的條件是歸一化頻率V小于2.405，其中

a是纖芯半徑，λ是自由空間波長(zhǎng)，n1和n2分別是纖芯和包層的折射率。多模光纖的纖芯和包層之間的折射率差（Δ）通常在1%到1.5%之間，纖芯直徑在50到100μm之間。單模光纖的Δ≈0.3%，纖芯直徑在8到10μm之間。光纖數(shù)值孔徑（NA）是接收錐半角的正弦值，由下式給出

單模光纖的NA通常約為0.1，而多模光纖的NA在0.2至0.3的范圍內(nèi)。

從傳輸系統(tǒng)的角度來(lái)看，兩個(gè)最重要的光纖參數(shù)是衰減和帶寬。

衰減Attenuation

光纖中有三種主要的衰減機(jī)制：吸收、散射和輻射損耗。二氧化硅在紫外（電子躍遷electronic transitions）和1.6μm以上的紅外（原子振動(dòng)躍遷atomic vibrational transitions）具有共振吸收峰，但在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域具有高度透明性。

通過(guò)使用足夠厚的包層（通信光纖的外徑為125μm）、可壓縮的涂層來(lái)緩沖光纖免受外力的影響，以及防止急轉(zhuǎn)彎的電纜結(jié)構(gòu)，通?？梢员３州^小的輻射損耗。

在沒(méi)有雜質(zhì)和輻射損失的情況下，基本的衰減機(jī)制是來(lái)自不規(guī)則玻璃結(jié)構(gòu)的瑞利散射，這導(dǎo)致折射率在距離上的波動(dòng)與波長(zhǎng)相比很小。這會(huì)導(dǎo)致散射損失α

為了獲得“最佳”光纖。衰減隨波長(zhǎng)的變化如圖1所示。λ=1.4μm處的衰減峰值是由于光纖中的少量水引起的共振吸收，盡管光纖中沒(méi)有這個(gè)峰值。由于在該波長(zhǎng)下有可用的源和探測(cè)器，初始系統(tǒng)在0.85μm左右的波長(zhǎng)下運(yùn)行。目前的系統(tǒng)（除了一些短距離數(shù)據(jù)鏈路）通常在1.3或1.55μm的波長(zhǎng)下運(yùn)行。前者除了衰減低（最佳光纖約為0.32dB/km）外，還是標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的最小模內(nèi)色散波長(zhǎng)。1.55μm的工作允許更低的衰減（最小約為0.16dB/km）和使用在該波長(zhǎng)下工作的摻鉺光纖放大器。

圖1 光纖衰減與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系。虛線(xiàn)表示瑞利散射。實(shí)線(xiàn)表示總衰減。

色散Dispersion

脈沖擴(kuò)展（色散）限制了可用于光纖的最大調(diào)制帶寬（或最大脈沖速率）。分散有兩種主要形式：模間色散intermodal dispersion和模內(nèi)色散intramodal dispersion。

在多模光纖中，不同的模式會(huì)經(jīng)歷不同的傳播延遲，從而導(dǎo)致脈沖擴(kuò)展。對(duì)于漸變折射率光纖，每單位長(zhǎng)度的最低色散約為

在近似拋物線(xiàn)函數(shù)中對(duì)纖芯的折射率進(jìn)行分級(jí)會(huì)導(dǎo)致傳播延遲的近似均衡。對(duì)于階躍折射率光纖，單位長(zhǎng)度的色散為，其中Δ=0.01比方程（4）給出的值大1000倍。

帶寬和色散成反比，比例常數(shù)取決于脈沖形狀和帶寬的定義方式。如果色散脈沖近似為高斯脈沖，δτ為半功率點(diǎn)的全寬，則-3dB帶寬B，由下式給出

多模光纖通常由其1km長(zhǎng)度內(nèi)的帶寬確定。典型的規(guī)格在200 MHz到1 GHz的范圍內(nèi)。光纖帶寬是折射率分布的敏感函數(shù)，與波長(zhǎng)有關(guān)，隨長(zhǎng)度的縮放取決于是否存在模式混合。此外，對(duì)于短距離鏈路，帶寬取決于發(fā)射條件。

多模光纖通常僅在比特率和距離足夠小，不需要擔(dān)心色散的準(zhǔn)確表征時(shí)使用。

雖然單模光纖中沒(méi)有模間色散，但由于源的有限光譜寬度和群速度對(duì)波長(zhǎng)的依賴(lài)性，單模內(nèi)仍然存在色散（模內(nèi)色散）。單位長(zhǎng)度的波節(jié)內(nèi)色散由下式給出

其中D是光纖的色散系數(shù)，δλ是光源的光譜寬度，S0是色散斜率

如果存在模間色散intermodal dispersion和模內(nèi)色散intramodal disersion，則總分散的平方是模間色散intermodal dispersion和模內(nèi)色散intramodal dispersion的平方和。對(duì)于典型的數(shù)字系統(tǒng)，總色散應(yīng)小于脈沖間周期T的一半。根據(jù)方程式（5），這對(duì)應(yīng)于至少0.88/T的有效光纖帶寬。

模內(nèi)色散有兩個(gè)來(lái)源：材料色散，這是折射率是波長(zhǎng)的函數(shù)的結(jié)果；以及波導(dǎo)色散，是光纖波導(dǎo)的傳播常數(shù)是波長(zhǎng)函數(shù)的結(jié)果。

對(duì)于折射率為n（λ）的材料，材料色散系數(shù)由下式給出

對(duì)于硅基玻璃，Dmat具有圖2所示的一般特征。在波長(zhǎng)為820 nm時(shí)，它約為-100 ps/km?nm，在波長(zhǎng)接近1300 nm時(shí)通過(guò)零點(diǎn)，在1550 nm時(shí)約為20 ps/kmхnm。

圖2模內(nèi)色散系數(shù)與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系。短點(diǎn)虛線(xiàn)表示材料色散Dmat；長(zhǎng)點(diǎn)虛線(xiàn)曲線(xiàn)顯示了波導(dǎo)色散Dwg，在1.55μm處實(shí)現(xiàn)零色散的D（實(shí)線(xiàn)）。

對(duì)于階躍折射率單模光纖，波導(dǎo)色散約為

對(duì)于傳統(tǒng)單模光纖，波導(dǎo)色散很?。ㄔ?300 nm處約為-5 ps/km?nm）。然后，得到的D（λ）略微偏移（相對(duì)于材料色散曲線(xiàn)）到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，但零色散波長(zhǎng)（λ0）仍保持在1300 nm附近。然而，如果通過(guò)減小a或等效地通過(guò)減小芯中的折射率來(lái)使波導(dǎo)色散變大為負(fù)值，則零色散波長(zhǎng)可能會(huì)偏移到1550nm附近（見(jiàn)圖2）。這種光纖被稱(chēng)為色散位移光纖，并且由于在該波長(zhǎng)下較低的光纖衰減和摻鉺光纖放大器的出現(xiàn)而具有優(yōu)勢(shì)。

請(qǐng)注意，色散位移光纖在色散最小值處的斜率較?。⊿0≈0.06ps/km?nm2，而傳統(tǒng)單模光纖的S0≈0.09ps/km?nm2）。對(duì)于更復(fù)雜的折射率分布，至少在理論上，可以控制波導(dǎo)色散的形狀，使1300和1550 nm波段的總色散都很小，從而得到色散平坦的光纖。