光纤的几何及光学性能
1. 光纤概述
光纤是光波传输的介质，是由介质材料构成的圆柱体，分为芯子和包层两部分。光波沿芯子传播。在实际工程应用中，光纤是指由预制棒拉制出纤丝经过简单被复后的纤芯，纤芯再经过被复，加强和防护，成为能够适应各种工程应用的光缆。 光波在光纤中的传播过程是一个复杂的电磁场的边界问题，一般来说，光纤芯子的直径要比传播光的波长高几十倍以上，因此利用几何光学的方法定性分析是足够的，而且对问题的理解也很简明、直观。 当一束光纤投射到两个不同折射率的介质交界面上时，发生折射和反射现象。对于多层介质形成的一系列界面，若折射率n1＞n2＞n3…＞nm，则入射光线在每个界面的入射角逐渐加大，直到形成全反射。由于折射率的变化，入射光线受到偏转的作用，传播方向改变。 光纤由芯子、包层和套层组成。套层的作用是保护光纤，对光的传播没有什么作用。芯子和包层的折射率不同，其折射率的分布主要有两种形式：连续分布型（又称梯度分布型）和间断分布型（又称阶跃分布型）。 当入射光经过光纤端面的折射后进入光纤，除了与轴向方向一致的光沿直线传播外，其余的光线则投射到芯子和包层的交界面：一种在界面形成全反射，这些光线将与光轴保持不变的夹角，呈锯齿状无损耗地在光纤芯子内向前传播，称之为传播光；另外一种在界面处只有一部分形成反射，还有一部分折射进入包层，最后被套层吸收，反射的光线再次到达界面时又会有一部分损耗，因而不能传播，称为非传播光。 因此，光纤芯子和包层的折射率及折射率的分布与光纤的转播特性有密切关系。
2. 光纤几何尺寸参数
光纤的尺寸参数是光纤的最基本的标准化参数。尺寸参数除了对光纤的光传输、机械等性能有影响外，它们还对光纤的连接损耗的大小起着至关重要的作用。例如，单纤接续则要求被接光纤纤芯尺寸参数相同，但是光纤带的接续则要用光纤外径作为纤芯对准的参数，故要求光纤的外径应均匀一致。
光纤的尺寸参数标准既是光纤制造的几何尺寸依据，又是光纤制造中严格控制的指标，还是判别光纤产品合格与否的质量标准。
众所周知，光纤玻璃几何尺寸规定为圆对称结构。因此，2000年10月国际电信联盟电信标准化部（ITU-T）最新推荐的用来表征光纤尺寸的特征参数是：包层、包层中心、包层直径、包层直径偏差、包层容差范围、包层不圆度、芯中心、预涂覆层直径、缓冲层直径和光纤长度变化等。
光纤尺寸参数的测量方法有：近场图像法、折射近场法、俯视法、传输近场法等。借助这些几何尺寸参数测量方法，可对光纤玻璃的几何尺寸参数进行单个几何尺寸参数测量，也可进行多个几何参数测量。工程应用中通常只测量其中几项主要参数。
3. 光纤传输特性和光学特性
光纤的传输特性和光学特性对光纤通信系统的工作波长、传输速率、传输距离和信息质量等都有着至关重要的作用。
光纤的传输特性和光学特性具体涉及到的适用特性有：衰减、色散、截止波长、模场直径、基带响应、数值孔径、有效面积、光学连续性和微弯敏感性等等。
其中主要特性包括：
1） 衰减特性
衰减是光纤中光功率减少量的一种度量，它取决于光纤的工作（波长）类型和长度，并受测量条件的影响。通常，对于均匀光纤来说，可用单位长度的衰减，既衰减系数反映光纤的衰减性能的好坏。
在鉴别光纤性能和系统设计等实际应用中，人们最感兴趣的是光纤在工作波长下的衰减系数，如在工作波长λ＝850nm、1310nm和1550nm等处的衰减系数。
衰减系数随波长变化的曲线被称为衰减谱，其能直观且形象地反映出在一定波长范围内整个光纤长度上的衰减信息。
2）色散
光纤中色散主要是指集中的光能，例如光脉冲经过光纤传输后在光纤输出端发生能量分散，导致传输信号畸变。在光纤数字通信系统中，由于信号的各频率成分或各模式成分的传输速率不同，信号在光纤中传输一段距离后，将互相散开，脉冲展宽。严重时，前后脉冲将互相重叠，形成码间干扰，增加误码率，影响了光纤的带宽，限制了光纤的传输容量和传输距离。
色散是单模光纤的重要参数之一。研究光纤的色散特性，对合理地设计光纤折射率剖面结构，改善光纤的传输特性是极为重要的。值得指出的是：G.653、G.655单模光纤都是由优化光纤工作波长处的材料色散和波导色散的方法，即通过改变光纤波导结构研制出来的新型光纤。
单模光纤的色散决定着光纤所能传输的速率、距离、容量，对于超常距离、超大容量、超高速率的通信系统有着极为重要的意义。色散和衰减是系统设计的光中继段受限距离的两个重要参数。
3）偏振模色散
偏振模色散（PMD，Polarization Mode Dispersion）是指单模光纤中的两个正交偏振模之间的差分群时延，它在数字系统中使脉冲展宽产生误码。
4）截止波长
当光纤的结构参数（折射率与芯径）确定后，光纤是否工作于单模状态完全决定于其中传播光的波长。由于最临近其模LP01的高阶模是LP11。因此我们定义使LP11模截止（完全不能传输）的波长为单模光纤的截止波长λc。λc定义为总功率，包括注入的高阶模与基模光功率之比减小到小于0.1dB时所对应的更长波长。按照这个定义，当各次模基本上受到均匀激励时，二阶模LP11比基模Lp10衰减大的波长就是截止波长。
通常，人们所指的截止波长是实际测得的截止波长。实际测量研究表明，光纤的截止波长与光纤的长度和光纤所处的状态，如弯曲和受到的应力作用等有关。为了使实际测得的截止波长更具工程实用价值，国际电信联盟标准化部门在ITU－T G.650（2000）中将实际测量的截止波长分为三类：光缆截止波长、光纤截止波长和跳线光缆截止波长。
5）模场直径
模场直径是单模光纤所特有的一个重要参数。它的标称值和容差大小与光纤的连接损耗和抗弯性有着密切的关系，而且可以从模场直径随波长的变化谱估算单模光纤的色散值、单模光纤连接损耗、弯曲损耗和单模光纤有效面积等。因此，在单模光纤生产光缆、施工接续和实际使用中，人们非常重视模场直径这一参数。
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